JoVE Journal > Engineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Automatic Translation
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Engineering

Visualisera enaxiella-anstränga Manipulation av Antiferromagnetisk domäner i Fe1 +YTe med en Spin-polariserade Scanning Tunneling mikroskopet

Published: March 24, 2019
doi:
10.3791/59203
, , , , ,
1Department of Physics, Applied Physics and Astronomy,Binghamton University, 2Institute of Physics,University of Silesia

Summary

Använda enaxiella stam kombinerat med spin-polariserade scanning tunneling microscopy, vi visualiserar och manipulera den Antiferromagnetisk domänstrukturen FE1 + yTe, modersubstansen av järn-baserade supraledare.

Abstract

Strävan att förstå korrelerade elektroniska system har drivit gränserna för experimentella mätningar mot utveckling av nya experimentella tekniker och metoder. Här använder vi en roman hembyggda enaxiella-anstränga anordning integrerad i vår variabel temperatur scanning tunneling Mikroskop som gör det möjligt för oss att controllably manipulera i-plane enaxiella stam i prover och undersöka deras elektroniska svar på den atomära skalan. Med scanning tunneling microscopy (STM) med spin-polarisering tekniker, vi visualiserar Antiferromagnetisk (AFM) domäner och deras atomstruktur i Fe1 +yTe prover, modersubstansen av järn-baserade superconductors, och demonstrera hur dessa domäner bemöta tillämpad enaxiella stam. Vi observerar dubbelriktat AFM domäner i otränat urvalet, med en genomsnittlig domän storlek på ~ 50-150 nm, att övergången till en enkelriktad domän tillämpad enaxiella ansträngd. Resultaten presenteras här öppnas en ny riktning för att utnyttja en värdefull trim parameter i STM, liksom andra spektroskopiska tekniker, både för finjustering av de elektroniska egenskaperna när det gäller inducerande symmetri bryter i quantum materialsystem.

Introduction

Hög temperatur supraledning i cuprates och järn-baserade supraledare är en spännande quantum fråga1,2. En stor utmaning att förstå supraledning är olika symmetribrott stater, såsom elektroniska nematic och smectic faser (som bryter roterande och translationell symmetrier av elektroniska påstår), med lokalt sammanflätade natur supraledning3,4,5,6,7. Manipulation och avsiktlig tuning av dessa symmetribrott stater är ett viktigt mål mot förståelse och kontroll av supraledning.

Kontrollerad stam, både enaxiella och biaxiell, är en väl etablerad teknik för att finjustera de kollektiva elektroniska staterna i kondenserade materiens system8,9,10,11,12, 13,14,15,16,17,18,19,20,21, 22. Denna rena tuning, används utan införandet av sjukdom genom kemiska dopning, ofta i olika typer av experiment för att finjustera bulk elektroniska egenskaper23,24,25,26 . Till exempel har enaxiella trycket visat sig ha en enorm effekt på supraledning i Sr2RuO413 och cuprates27 och på strukturella, magnetiska, och nematic fasövergångar av järn-baserade supraledare 10 , 14 , 28 , 29 och visades nyligen i tuning topologiska påstår av SmB624. Användning av stam i ytan-känsliga tekniker, såsom STM och vinkel-löst photoemission spektroskopi (ARPES), har dock varit begränsad till i situ-odlade tunna filmer på avvikande substrat26,30. Den stora utmaningen med att tillämpa stam till enstaka kristaller i ytan-känsliga experiment är behovet av att klyva de ansträngda proverna i ultrahög vakuum (UHV). Under de senaste åren, har en alternativ riktning varit att epoxi tunn prov på piezo stackar9,10,18,31 eller på tallrikar med olika koefficienter av termisk expansion19 ,32. Men i båda fallen är omfattningen av tillämpad stammen ganska begränsad.

Här visar vi användning av en roman mekaniska enaxiella-anstränga enhet som tillåter forskare att sila ett prov (tryckkraft stam) utan begränsningar och samtidigt visualisera dess ytstruktur som använder STM (se figur 1). Som ett exempel, vi använder enkristaller av Fe1 +yTe, där y = 0,10, modersubstansen av de järn chalcogenide superconductors (y är överflödigt järn koncentration). Nedan TN = ~ 60 K, Fe1 +yTe övergångar från en hög temperatur paramagnetiskt tillstånd till en låg temperatur Antiferromagnetisk stat med en bicollinear rand magnetiska ordning26,33 ,34 (se figur 3A, B). Magnetiska övergången är ytterligare åtföljs av en strukturell övergång från tetragonala monoklina26,35. I-plane AFM ordning bildar detwinned domäner med spin strukturen pekar längs den långa b-riktningen av det Ortorombiska struktur34. Genom att visualisera AFM ordning med spin-polariserade STM, vi sond den dubbelriktade domänstrukturen i otränat Fe1 +yTe prover och observera deras övergång till en enda stor domän tillämpad påfrestningar (se schematiskt i Figur 3 C-E). Dessa experiment visar framgångsrik yta trimning av enstaka kristaller använder enaxiella-anstränga enheten presenteras här, den klyva av provet och den samtidiga avbildning av sin ytstruktur med sveptunnelmikroskop. Figur 1 visar schematiska ritningar och bilder av enhetens mekaniska påfrestningar.

Protocol

Obs: Den U-formade kroppen är gjord av 416-rostfritt stål, som är stel och har en låg värmeutvidgningskoefficient (CTE), ~9.9 μm/(m∙°C), jämfört med ~17.3 μm/(m∙°C) för rostfritt stål 304-grade. 1. mekaniska enaxiella-stam-enhet Rengör enhetens U-formad, Mikrometern skruvar (1 – 72 motsvarande 72 rotationer per tum), Belleville våren diskarna och bottenplattan av sonicating dem separat i aceton först och sedan i isopropanol, 20 minuter vardera, i ett ultraljudsb…

Representative Results

STM topographs mättes i konstant nuvarande läge med en setpoint bias av-12 meV tillämpas på provet och en setpoint nuvarande för -1,5-nA som samlas på spetsen. PT-Ir tips användes i alla experiment. För att uppnå spin-polariserade STM, har scanning tunneling Mikroskop spetsen till vara belagd med magnetiska atomer, som kan vara ganska krävande. I detta fall att studera Fe1 +yTe, ger provet själv ett enkelt sätt att uppnå detta. Den överskjutand…

Discussion

Alla åtgärder som krävs för att flytta proven in och innanför STM utförs med uppsättningar av arm manipulatorer. STM upprätthålls vid låga temperaturer av flytande kväve och flytande helium, och provet kyls ner för minst 12 h innan att vara närmade. Detta tillåter prov och Mikroskop temperaturen nå termisk jämvikt. För att isolera elektriska och akustiska buller, är STM placerad i en akustisk och radiofrekvens skärmade rum. Mikroskopet huvudet är ytterligare upphängd fjädrar för optimerad instrumen…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

P.A. erkänner stöd från den amerikanska National Science Foundation (NSF) karriär under award nej. DMR-1654482. Material syntes genomfördes med stöd av den polska nationella Science Centre grant nr 2011/01/B/ST3/00425.

Materials

Belleville spring disks McMaster Carr
Fe(1.1)Te Single Crystal
H20E Epoxy Technology
H74F Epoxy Technology
Micrometer screws McMaster Carr
Stainless Steel sheets (416) McMaster Carr
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Paglione, J., Greene, R. L. High-temperature superconductivity in iron-based materials. Nature Physics. 6 (9), 645 (2010).
  2. Keimer, B., Kivelson, S. A., Norman, M. R., Uchida, S., Zaanen, J. From quantum matter to high-temperature superconductivity in copper oxides. Nature. 518, 179-186 (2015).
  3. Anderson, P. W. Physics: The opening to complexity. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 92 (15), 6653-6654 (1995).
  4. Dagotto, E. Complexity in strongly correlated electronic systems. Science. 309, 257-262 (2005).
  5. Davis, J. S., Lee, D. -. H. Concepts relating magnetic interactions, intertwined electronic orders, and strongly correlated superconductivity. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 110 (44), 17623-17630 (2013).
  6. Fernandes, R., Chubukov, A., Schmalian, J. What drives nematic order in iron-based superconductors. Nature Physics. 10 (2), 97 (2014).
  7. Fradkin, E., Kivelson, S. A., Tranquada, J. M. Colloquium: Theory of intertwined orders in high temperature superconductors. Reviews of Modern Physics. 87 (2), 457 (2015).
  8. Stillwell, E., Skove, M., Davis, J. Two “Whisker” Straining Devices Suitable for Low Temperatures. Review of Scientific Instruments. 39 (2), 155-157 (1968).
  9. Shayegan, M., et al. Low-temperature, in situ tunable, uniaxial stress measurements in semiconductors using a piezoelectric actuator. Applied Physics Letters. 83 (25), 5235-5237 (2003).
  10. Chu, J. -. H., Kuo, H. -. H., Analytis, J. G., Fisher, I. R. Divergent nematic susceptibility in an iron arsenide superconductor. Science. 337 (6095), 710-712 (2012).
  11. Song, Y., et al. Uniaxial pressure effect on structural and magnetic phase transitions in NaFeAs and its comparison with as-grown and annealed BaFe2As2. Physical Review B. 87 (18), 184511 (2013).
  12. Allan, M. P., et al. Anisotropic impurity states, quasiparticle scattering and nematic transport in underdoped Ca(Fe1−xCox)2As2. Nature Physics. 9 (4), 220-224 (2013).
  13. Hicks, C. W., et al. Strong increase of Tc of Sr2RuO4 under both tensile and compressive strain. Science. 344 (6181), 283-285 (2014).
  14. Hicks, C. W., Barber, M. E., Edkins, S. D., Brodsky, D. O., Mackenzie, A. P. Piezoelectric-based apparatus for strain tuning. Review of Scientific Instruments. 85 (6), 065003 (2014).
  15. Gannon, L., et al. A device for the application of uniaxial strain to single crystal samples for use in synchrotron radiation experiments. Review of Scientific Instruments. 86 (10), 103904 (2015).
  16. Kretzschmar, F., et al. Critical spin fluctuations and the origin of nematic order in Ba(Fe1−xCox)2As 2. Nature Physics. 12 (6), 560 (2016).
  17. Steppke, A., et al. Strong peak in T c of Sr2RuO4 under uniaxial pressure. Science. 355 (6321), 133 (2017).
  18. Yim, C. M., et al. Discovery of a strain-stabilised smectic electronic order in LiFeAs. Nature Communications. 9 (1), 2602 (2018).
  19. Gao, S., et al. Atomic-scale strain manipulation of a charge density wave. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 115 (27), 6986-6990 (2018).
  20. Jiang, J., et al. Distinct in-plane resistivity anisotropy in a detwinned FeTe single crystal: Evidence for a Hund’s metal. Physical Review B. 88 (11), 115130 (2013).
  21. Zhang, Y., et al. Symmetry breaking via orbital-dependent reconstruction of electronic structure in detwinned NaFeAs. Physical Review B. 85 (8), 085121 (2012).
  22. Watson, M. D., Haghighirad, A. A., Rhodes, L. C., Hoesch, M., Kim, T. K. Electronic anisotropies revealed by detwinned angle-resolved photo-emission spectroscopy measurements of FeSe. New Journal of Physics. 19 (10), 103021 (2017).
  23. Iida, K., et al. Strong T c dependence for strained epitaxial Ba(Fe1-xCox)2As2 thin films. Applied Physics Letters. 95 (19), 192501 (2009).
  24. Stern, A., Dzero, M., Galitski, V., Fisk, Z., Xia, J. Surface-dominated conduction up to 240 K in the Kondo insulator SmB 6 under strain. Nature Materials. 16 (7), 708-711 (2017).
  25. Iida, K., et al. Hall-plot of the phase diagram for Ba(Fe1−xCox)2As2. Scientific Reports. 6, 28390 (2016).
  26. Hänke, T., et al. Reorientation of the diagonal double-stripe spin structure at Fe1+yTe bulk and thin-film surfaces. Nature Communications. 8, 13939 (2017).
  27. Takeshita, N., Sasagawa, T., Sugioka, T., Tokura, Y., Takagi, H. J. Gigantic anisotropic uniaxial pressure effect on superconductivity within the CuO2 plane of La1.64Eu0.2Sr0.16CuO4: Strain control of stripe criticality. Journal of the Physical Society of Japan. 73 (5), 1123-1126 (2004).
  28. Kuo, H. -. H., Shapiro, M. C., Riggs, S. C., Fisher, I. R. Measurement of the elastoresistivity coefficients of the underdoped iron arsenide Ba(Fe0.975Co0.025)2As2. Physical Review B. 88 (8), 085113 (2013).
  29. He, M., et al. Dichotomy between in-plane magnetic susceptibility and resistivity anisotropies in extremely strained BaFe2As2. Nature Communications. 8 (1), 504 (2017).
  30. Engelmann, J., et al. Strain induced superconductivity in the parent compound BaFe2As2. Nature Communications. 4 (2877), 2877 (2013).
  31. Berger, A. D. N., et al. . Temperature Driven Topological Switch in 1T’-MoTe2 and Strain Induced Nematicity in NaFeAs. , (2018).
  32. Böhmer, A., et al. Effect of biaxial strain on the phase transitions of Ca(Fe1−xCox)2As2. Physical Review Letters. 118 (10), 107002 (2017).
  33. Bao, W., et al. Tunable (δ π, δ π)-type antiferromagnetic order in α-Fe(Te,Se) superconductors. Physical Review Letters. 102 (24), 247001 (2009).
  34. Koz, C., Rößler, S., Tsirlin, A. A., Wirth, S., Schwarz, U. Low-temperature phase diagram of Fe1+yTe studied using x-ray diffraction. Physical Review B. 88 (9), 094509 (2013).
  35. Enayat, M., et al. Real-space imaging of the atomic-scale magnetic structure of Fe1+yTe. Science. 345 (6197), 653-656 (2014).
  36. Singh, U. R., Aluru, R., Liu, Y., Lin, C., Wahl, P. Preparation of magnetic tips for spin-polarized scanning tunneling microscopy on Fe1+yTe. Physical Review B. 91 (16), 161111 (2015).
  37. Chandra, S., Islam, A. K. M. A. Elastic and electronic properties of PbO-type FeSe1-xTex (x= 0-1.0): A first-principles study. ArXiv preprint. , (2010).

Tags

Keywords: Uniaxial-strainAntiferromagnetic DomainsFe1+YTeSpin-polarized Scanning Tunneling MicroscopeHigh Temperature SuperconductorsBroken Symmetry StatesSingle CrystalSDM-compatibleDevice TestingVisual Demonstration
check_url/59203?article_type=t

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Kavai, M., Giannakis, I., Leshen, J., Friedman, J., Zajdel, P., Aynajian, P. Visualizing Uniaxial-strain Manipulation of Antiferromagnetic Domains in Fe1+YTe Using a Spin-polarized Scanning Tunneling Microscope. J. Vis. Exp. (145), e59203, doi:10.3791/59203 (2019).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image