研究動態

磁性結構作為凝聚態物理與材料科學領域的研究焦點，其微觀形態與動態特性的精準表征，是推動自旋電子學、拓撲磁學等前沿方向突破的關鍵。三十余年來，磁力顯微鏡（MFM）始終是可視化觀測和表征磁疇、斯格明子（Skyrmions）等磁結構的核心手段。

隨著低維磁性材料、拓撲磁有序體系研究的深入，如亞質子、反質子和雙亞質子等，低溫強磁場環境下的高分辨率磁成像需求日益迫切。德國attocube公司研發的低溫強磁場原子力-磁力顯微鏡attoAFM-MFM I，憑借其 “1.8 K~300 K的溫度范圍、0~9T磁場環境（可選9T-1T-1T矢量磁體）、高分辨率成像" 等核心優勢，已成為全球科研團隊探索新型磁性現象、構建磁功能材料體系的關鍵設備。

attoAFM-MFM I已助力多個課題組在磁學研究及機制解析中取得重要突破。本文將選取近期發表于《Nano Lett.》等期刊的相關進展，具體闡述該設備在不同磁性材料與現象研究中的應用價值。

應用案例1：范德華鐵磁體的非常規相圖

新加坡國立大學Maciej Koperski和Kostya Novoselov課題組研究了范德瓦爾斯鐵磁體CrBr₃并發現了一種由垂直相關磁子域組成的新磁序。借助搭載于attoDRY2100低溫恒溫器的磁力顯微鏡（attoAFM /MFM I），課題組成功可視化了由局部改變層間交換耦合的層錯引起的共存疇結構。

課題組量化了疇相關性，并構建了一個磁相圖，捕捉了相關和反相關的磁狀態。這項工作為理解二維鐵磁體中的磁序提供了一個新的框架，并強調了堆疊感應磁阱在容納磁振子和斯格明子等局域激發方面的潛力。

圖1：低溫磁力顯微鏡測量厚度為300 nm的CrBr₃晶體獲得MFM圖像。

參考文獻1：S. Y. Grebenchuk et al., Adv. Sci. 12, 2570200 (2025)

應用案例2：金屬多層膜中的拓撲霍爾效應和Skyrmions

設計自旋紋理（如Skyrmions）的關鍵挑戰是使用可用的制造技術在可擴展系統中穩定這些紋理。在近期的研究工作中，印度國家科學教育與研究所Subhankar Bedanta課題組通過調整Ir層的厚度，證明了Pt/Co/Ir/Co/Pt多層系統中孤立Skyrmions的穩定性。

這種調諧調節了Ruderman–Kittel–Kasuya–Yosida（RKKY）相互作用，導致有利于Skyrmions成核的傾斜磁態。通過attoDRY2100低溫恒溫器中的attoAFM MFM I低溫原子力磁力顯微鏡進行的測量結果揭示了從迷宮結構域向孤立Skyrmions的轉變過程；結合拓撲霍爾效應的定量分析，進一步驗證了斯格明子的拓撲特性。

圖2  低溫原子力磁力顯微鏡對Pt/Co/Ir/Co/Pt多層系統中磁疇的測量結果。

參考文獻2：S. Mohanty et al., Mater. Res. Express 11, 046406 (2024)

應用案例3： 自旋紋理的厚度可調動力學

德國馬克斯·普朗克微觀結構物理研究所Stuart Parkin課題組研究了鐵磁性范德華（vdW）化合物Fe₅GeTe₂，并在 attoLIQUID2000 低溫恒溫器中使用低溫磁力顯微鏡（attoAFM-MFM I）發現了隨樣品厚度變化的各種磁性基態。

課題組觀察到，在低溫和施加磁場的情況下，較厚的樣品中出現了具有不均勻核心磁化和繭狀結構的非傳統磁泡，這展示了vdW材料的非凡磁性復雜性，以及它們在納米磁性器件中的應用潛力。

圖3：在外部磁場0.5 T存在下，在100 K下記錄的厚度約為170 μm的Fe₅GeTe₂晶體的MFM圖像。

參考文獻3：A. K. Gopi et al., ACS Nano 18, 5335 (2024)

應用案例4：反常霍爾效應的局部成像

高度可調的特性使Mn（Bi，Sb）₂Te₄家族成為探索器件中磁性和帶拓撲之間相互作用的豐富場所。由Tatiana Webb（現就職于美國巴納德學院）和Abhay Pasupathy領導的哥倫比亞大學（美國）的研究團隊研究了剝離亞鐵磁性MnSb₂Te₄的疇形態，并展示了異常霍爾效應如何與磁疇面積成比例。

在這項研究中，課題組在attoLIQUID2000 低溫恒溫器中使用attoAFM I顯微鏡進行了MFM測量。該項工作為開發由亞鐵磁拓撲范德華材料制成的可編程器件打開了大門，在這種器件中，可以通過磁性的空間控制來調節傳輸。

圖4：低溫磁力顯微鏡助力鐵磁性MnSb₂Te₄的疇形態研究。

參考文獻4：T. A. Webb et al., Nano Lett. 24, 4393 (2024)

以上應用案例中的低溫MFM設備，均為德國attocube公司研發的低溫強磁場原子力-磁力顯微鏡attoAFM-MFM I。該顯微鏡采用非磁性材料制成，專為低溫、超低溫和高磁場應用設計。它基于納米精度位移臺與掃描臺，可提供多維運動、毫米級行程和亞納米精度掃描。用戶只需要更探針和切換對應的軟件，即可實現壓電力顯微鏡（PFM）、開爾文探針力顯微鏡 (KPFM)、導電力顯微鏡 (c-AFM)等不同功能之間的切換，進行空間分辨率<50 nm的磁性結構觀測，研究超導材料變溫變磁場下的磁通漩渦成像以及鐵電體和多鐵性材料的磁疇成像。

圖5：常見配置-低溫強磁場原子力磁力顯微鏡，兼容attoDRY2100低溫系統。

attocube低溫強磁場原子力磁力顯微鏡attoAFM MFM I

低溫強磁場原子力磁力顯微鏡attoAFM MFM I 已經在北京大學，清華大學，南京大學，復旦大學，中國人民大學，北京師范大學，中國科學院等單位順利運行，持續助力各個課題組的科研工作。圖5為常見的低溫強磁場原子力磁力顯微鏡，該系統配置attocube的低溫掃描臺以及納米精度位移臺，可對常見氧化物薄膜，超導材料，低維層狀材料，納米線等微納尺度材料的低溫形貌，磁力磁疇與斯格明子觀測等電磁學性質測量。值得一提的是，系統兼容德國attocube公司推出的用于超靈敏SPM測量的全新超低振動低溫恒溫器attoDRY2200。目前，該系統已經在中國、德國、英國等國家完成多套安裝與運行，已助力全球用戶在低溫強磁場環境下的磁學成像研究中取得眾多突破性成果。

圖6： 低溫強磁場原子力磁力顯微鏡attoAFM MFM I。

低溫強磁場原子力磁力顯微鏡attoAFM MFM I主要技術特點：

? 成像模式：接觸式，非接觸式，恒高模式，恒力模式

? 樣品定位范圍：5×5×4.8 mm³

? 掃描范圍: 50 μm ×50 μm@300 K, 30 μm ×30 μm@4 K  

? 標準技術：AFM

? 可選升級：MFM, PFM，KPFM, c-AFM

? 振動噪音（Z方向）：保證小于 0.15 nm (attoDRY)

?  空間分辨率：小于 20 nm (attoLIQUID),  小于 50 nm ((attoDRY)

? 商業化探針，換針時間小于2分鐘

? 兼容磁場環境：0~9T ( 取決于磁體系統，兼容12T，9T-3T，9T-1T-1T矢量磁體)

? 兼容溫度范圍：1.8 K~300 K

? 可升級 cryoRAMAN, AFM/CFM，atto3DR等功能

? 兼容：用于超靈敏SPM測量的超低振動低溫恒溫器attoDRY2200

圖7：用于超靈敏 SPM 測量的超低振動低溫恒溫器attoDRY2200, 適合NV色心掃描成像研究。

低溫強磁場原子力磁力顯微鏡attoAFM MFM I 部分發表文獻：

• Zhihai CHENG, et al. The First Molecular Ferroelectric Mott Insulator. Adv. Mater. 2025, 2414560

• Wenbo WANG, et al. Towards the quantized anomalous Hall effect in AlO_x-capped MnBi₂Te₄. Nature Communications 16 : 1727 (2025)

• Jianfeng GUO, et al. Tunable Bifurcation of Magnetic Anisotropy and Bi-Oriented Antiferromagnetic Order in Kagome Metal GdTi₃Bi₄. Physical Review Letters 134, 226704 (2025)

• Yuansha CHEN, et al. Ferromagnetism in LaFeO₃/LaNiO₃ superlattices with high Curie temperature. Nature Communications  16 : 3691 (2025)

• Zhihai CHENG, et al. Real-Space Topology-Engineering of Skyrmionic Spin Textures in a van der Waals Ferromagnet Fe₃GaTe₂. Nano Lett. 2024, 24, 13094?13102

• Xianggang QIU et al. Visualization of Skyrmion-Superconducting Vortex Pairs in a Chiral-Magnet–Superconductor Heterostructure. Physical Review Letters 133, 166706 (2024)

• Yonglei WANG, et al. Toroidic phase transitions in a direct-kagome artificial spin ice. Nature Nanotechnology (2024)

• Yonglei WANG, et al. Unconventional Superconducting Diode Effects via Antisymmetry and Antisymmetry Breaking. Nano Lett. 2024, 24, 14, 4108–4116

• Zhihai Cheng, et al. Interlayer coupling modulated tunable magnetic states in superlattice MnBi₂Te₄(Bi₂Te₃)_n topological insulators. Phys. Rev. B 109, 165410 (2024)

• Stuart S.P. Parkin, et al. Thickness-Tunable Zoology of Magnetic Spin Textures Observed in Fe₅GeTe₂. ACS Nano 2024, 18, 7, 5335–5343

• Liying Jiao et al. 2D Air-Stable Nonlayered Ferrimagnetic FeCr₂S₄ Crystals Synthesized via Chemical Vapor Deposition. Advanced Materials 2024

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低溫強磁場原子力磁力顯微鏡attoAFM MFM I部分國內用戶單位：

更多應用案例與設備信息了解：

“Magnetic force microscopy: investigating the physics of racetrack-memory devices“.

https://physicsworld.com/a/magnetic-force-microscopy-investigating-the-physics-of-racetrack-memory-devices/?mtm_campaign=AFM%20I%20Physics%20World%20Article%20webpage%20Stuart%20Parkin