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Nano Lett. 等成果专题汇总，低温强磁场磁力显微镜attoMFM, 磁性可视化观测的核心工具！

发布日期：2025-09-29

研究动态


磁性结构作为凝聚态物理与材料科学领域的研究焦点，其微观形态与动态特性的精准表征，是推动自旋电子学、拓扑磁学等前沿方向突破的关键。三十余年来，磁力显微镜（MFM）始终是可视化观测和表征磁畴、斯格明子（Skyrmions）等磁结构的核心手段。


随着低维磁性材料、拓扑磁有序体系研究的深入，如亚质子、反质子和双亚质子等，低温强磁场环境下的高分辨率磁成像需求日益迫切。德国attocube公司研发的低温强磁场原子力-磁力显微镜attoAFM-MFM I，凭借其 “1.8 K~300 K的温度范围、0~9T磁场环境（可选9T-1T-1T矢量磁体）、高分辨率成像” 等核心优势，已成为全球科研团队探索新型磁性现象、构建磁功能材料体系的关键设备。


attoAFM-MFM I已助力多个课题组在磁学研究及机制解析中取得重要突破。本文将选取近期发表于《Nano Lett.》等权威期刊的相关进展，具体阐述该设备在不同磁性材料与现象研究中的应用价值。

 

应用案例1：范德华铁磁体的非常规相图


新加坡国立大学Maciej Koperski和Kostya Novoselov课题组研究了范德瓦尔斯铁磁体CrBr3并发现了一种由垂直相关磁子域组成的新磁序。借助搭载于attoDRY2100低温恒温器的磁力显微镜（attoAFM /MFM I），课题组成功可视化了由局部改变层间交换耦合的层错引起的共存畴结构。


课题组量化了畴相关性，并构建了一个磁相图，捕捉了相关和反相关的磁状态。这项工作为理解二维铁磁体中的磁序提供了一个新的框架，并强调了堆叠感应磁阱在容纳磁振子和斯格明子等局域激发方面的潜力。


图1：低温磁力显微镜测量厚度为300 nm的CrBr3晶体获得MFM图像。

 

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

 

应用案例2：金属多层膜中的拓扑霍尔效应和Skyrmions


设计自旋纹理（如Skyrmions）的关键挑战是使用可用的制造技术在可扩展系统中稳定这些纹理。在近期的研究工作中，印度国家科学教育与研究所Subhankar Bedanta课题组通过调整Ir层的厚度，证明了Pt/Co/Ir/Co/Pt多层系统中孤立Skyrmions的稳定性。


这种调谐调节了Ruderman–Kittel–Kasuya–Yosida（RKKY）相互作用，导致有利于Skyrmions成核的倾斜磁态。通过attoDRY2100低温恒温器中的attoAFM MFM I低温原子力磁力显微镜进行的测量结果揭示了从迷宫结构域向孤立Skyrmions的转变过程；结合拓扑霍尔效应的定量分析，进一步验证了斯格明子的拓扑特性。


图2  低温原子力磁力显微镜对Pt/Co/Ir/Co/Pt多层系统中磁畴的测量结果。

 

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

 

应用案例3： 自旋纹理的厚度可调动力学


德国马克斯·普朗克微观结构物理研究所Stuart Parkin课题组研究了铁磁性范德华（vdW）化合物Fe5GeTe2，并在 attoLIQUID2000 低温恒温器中使用低温磁力显微镜（attoAFM-MFM I）发现了随样品厚度变化的各种磁性基态。


课题组观察到，在低温和施加磁场的情况下，较厚的样品中出现了具有不均匀核心磁化和茧状结构的非传统磁泡，这展示了vdW材料的非凡磁性复杂性，以及它们在纳米磁性器件中的应用潜力。


图3：在外部磁场0.5 T存在下，在100 K下记录的厚度约为170 μm的Fe5GeTe2晶体的MFM图像。

 

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

 

应用案例4：反常霍尔效应的局部成像


高度可调的特性使Mn（Bi，Sb）2Te4家族成为探索器件中磁性和带拓扑之间相互作用的丰富场所。由Tatiana Webb（现就职于美国巴纳德学院）和Abhay Pasupathy领导的哥伦比亚大学（美国）的研究团队研究了剥离亚铁磁性MnSb2Te4的畴形态，并展示了异常霍尔效应如何与磁畴面积成比例。


在这项研究中，课题组在attoLIQUID2000 低温恒温器中使用attoAFM I显微镜进行了MFM测量。该项工作为开发由亚铁磁拓扑范德华材料制成的可编程器件打开了大门，在这种器件中，可以通过磁性的空间控制来调节传输。


图4：低温磁力显微镜助力铁磁性MnSb2Te4的畴形态研究。

 

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

 

以上应用案例中的低温MFM设备，均为德国attocube公司研发的低温强磁场原子力-磁力显微镜attoAFM-MFM I。该显微镜采用非磁性材料制成，专为低温、超低温和高磁场应用设计。它基于纳米精度位移台与扫描台，可提供多维运动、毫米级行程和亚纳米精度扫描。用户只需要更探针和切换对应的软件，即可实现压电力显微镜（PFM）、开尔文探针力显微镜 (KPFM)、导电力显微镜 (c-AFM)等不同功能之间的切换，进行空间分辨率<50 nm的磁性结构观测，研究超导材料变温变磁场下的磁通漩涡成像以及铁电体和多铁性材料的磁畴成像。


图5：常见配置-低温强磁场原子力磁力显微镜，兼容attoDRY2100低温系统。

 

attocube低温强磁场原子力磁力显微镜attoAFM MFM I


低温强磁场原子力磁力显微镜attoAFM MFM I 已经在北京大学，清华大学，南京大学，复旦大学，中国人民大学，北京师范大学，中国科学院等单位顺利运行，持续助力各个课题组的科研工作。图5为常见的低温强磁场原子力磁力显微镜，该系统配置attocube特有的低温扫描台以及纳米精度位移台，可对常见氧化物薄膜，超导材料，低维层状材料，纳米线等微纳尺度材料的低温形貌，磁力磁畴与斯格明子观测等电磁学性质测量。值得一提的是，系统兼容德国attocube公司推出的用于超灵敏SPM测量的全新超低振动低温恒温器attoDRY2200。目前，该系统已经在中国、德国、英国等国家完成多套安装与运行，已助力全球用户在低温强磁场环境下的磁学成像研究中取得众多突破性成果。


图6： 低温强磁场原子力磁力显微镜attoAFM MFM I。

 

低温强磁场原子力磁力显微镜attoAFM MFM I主要技术特点：

☛ 成像模式：接触式，非接触式，恒高模式，恒力模式

☛ 样品定位范围：5×5×4.8 mm3

☛ 扫描范围: 50 μm ×50 μm@300 K, 30 μm ×30 μm@4 K   

☛ 标准技术：AFM

☛ 可选升级：MFM, PFM，KPFM, c-AFM

☛ 振动噪音（Z方向）：保证小于 0.15 nm (attoDRY)

☛  空间分辨率：小于 20 nm (attoLIQUID),  小于 50 nm ((attoDRY)

☛ 商业化探针，换针时间小于2分钟

☛ 兼容磁场环境：0~9T ( 取决于磁体系统，兼容12T，9T-3T，9T-1T-1T矢量磁体)

☛ 兼容温度范围：1.8 K~300 K

☛ 可升级 cryoRAMAN, AFM/CFM，atto3DR等功能

☛ 兼容：用于超灵敏SPM测量的超低振动低温恒温器attoDRY2200


图7：用于超灵敏 SPM 测量的超低振动低温恒温器attoDRY2200, 适合NV色心扫描成像研究。

 

低温强磁场原子力磁力显微镜attoAFM MFM I 部分发表文献：


 

低温强磁场原子力磁力显微镜attoAFM MFM I部分国内用户单位：


 

更多应用案例与设备信息了解：

“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


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