PRL等三篇高水平案例拆解，低温强磁场下，如何“看清”二维碲化物的磁结构？

发布日期：2026-11-06

研究动态

二维碲化物及相关范德华磁体中的本征磁性、反铁磁序、应变调控磁性与 Dzyaloshinskii–Moriya 相互作用（DMI），为自旋电子学与量子信息研究提供了新的材料平台。这类体系的共同难点在于：磁信号往往较弱，磁结构可达到纳米尺度，而关键物性又必须在低温、强磁场或变温变场条件下稳定观测。

因此，实验上真正需要的不只是“一台 AFM/MFM”，而是能够在低温强磁场环境中保持低振动、长时间稳定、纳米级空间分辨，并支持磁畴、斯格明子与局域磁学响应关联测量的扫描探针系统。

德国attocube公司的低温强磁场原子力磁力显微镜（attoAFM/MFM I），面向的正是这一类问题。该系统基于非磁性材料设计，适配低温、超低温与高磁场环境，能够直接观测低温环境下的自旋磁畴结构；结合纳米精度位移台与扫描台，可提供多维运动、毫米级样品定位行程与亚纳米精度扫描。用户更换探针并切换对应模式后，还可在同一平台上扩展 PFM、KPFM、c-AFM 等功能，进行空间分辨率 <50 nm的铁电、多铁、导电与局域电学性质测量。近期的三篇代表性科研论文均使用了德国attocube公司的低温强磁场原子力磁力显微镜（attoAFM/MFM I）设备开展了对二维碲化物相关磁学性质的研究。

图1：常见配置-低温强磁场原子力磁力显微镜，兼容attoDRY2100低温系统。

应用案例1：拓扑反铁磁材料中的序调控

控制奈尔序颇具难度，原因在于反铁磁体不存在净磁化强度，且其磁态通常难以区分。由上海科技大学王文波教授团队关于 AlOₓ 覆盖 MnBi₂Te₄ 的研究表明，覆盖层修饰会改变拓扑反铁磁体 MnBi2Te4的表面磁各向异性，从而能够在量子反常霍尔态下对奈尔序实现确定性调控。

在 attoDRY2100低温恒温器中使用attoAFM I 低温强磁场原子力磁力显微镜进行的磁学扫描成像图 (MFM) 表明，与原始 MnBi2Te4相比，AlOx覆盖的薄片表现出明显不同的矫顽力和磁化反转行为。

这些研究结果为通过表面修饰调控反铁磁序提供了一种新策略，有望应用于自旋电子学与量子信息技术领域。

图2：MBT 薄片中的强A型反铁磁性。 a) 基于激光干涉反馈的AFM-MFM设备示意图，在AlOx覆盖的MnBi₂Te₄材料上进行扫描。样品表面涂有Cr和Au金属，这些金属用作电极，以平衡磁针与样品表面之间的电势。(b)在不同磁场下对AlOx覆盖的MnBi₂Te₄薄片进行 MFM 测量。样品边缘用蓝色虚线标出，而薄片上的原子台阶则用浅黄色虚线勾勒。相应层数数量已标注。c) 在0.23 T时 MFM 图像的线剖面（红色虚线），可通过均匀磁化矩形片产生的偶极场精确拟合（黄色虚线矩形）。d) 从不同磁场下的 MFM 图像推导出的偶数层薄片归一化磁化曲线，该曲线表现出巴克豪森效应。小的磁化平台用蓝色虚线标示。

参考文献：

X. Yang et al.,Tailoring N´eel Orders in Layered Topological Antiferromagnet MnBi2Te4 , PRL 135, 266704 (2025)

应用案例2：应变对二维碲化物磁性能的影响

二维铁磁材料 FePd₂Te₂中天然存在的孪晶畴可在无外部形变的条件下产生内部应变。中国人民大学程志海教授团队利用 attoDRY2100低温恒温器内搭载的attoAFM I显微镜开展磁力显微镜（MFM）测试，对这些应变区域进行直接成像，并将其与局域磁学性质建立关联。

压应变可维持完整的铁锯齿链，形成具有突变翻转特性的更大磁矩；而拉应变会使该链断裂，产生磁矩更小、自旋逐步转动的效果。变温与变磁场测试观测到铁磁态、极化铁磁态和顺磁态这几种不同物态。

该工作的实验结果强调内应变工程是未来自旋电子器件应用技术的一种有前景的策略。

图3: FePd₂Te₂的磁性和MFM测量。a) 温度依赖性磁矩（M-T），分别对应于场冷却FC（实线）和 零场冷却ZFC（虚线）过程在 0.1 T 下的面外（红色）和面内（黑色）磁场。b) 由 (a) 得到的dM/dT曲线。(c) 2 K时面外峰（红色）与面内峰（黑色）的磁滞曲线。d，e) 在约2 K时，经过零场冷却后的典型MFM图像，在大扫描范围(d)和小扫描范围(e)图像。(f)在0 T下经过 ZFC后，在约2 K时的典型 MFM 图像。g) 在三个特定范围内增加面外场强度的的场依赖性 MFM 图像：0.1−0.3 T(I)、∼0.4 T（II）和 0.4−2.0 T（III）。

参考文章:

Zhihai Cheng et al., Atomic-to-Mesoscale Twinning Effects and Strain-Driven Magnetic States in an Anisotropic 2D Ferromagnet FePd2Te2. ACS Nano 2025, 19, 34318−34328

应用案例3：二维碲化物中的 DMI效应

二维范德华铁磁体Fe₃GaTe₂中 Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI）的起源尚不明确。由武汉大学与武汉量子技术研究院的于霆教授带领的研究团队发现，场冷过程会在该材料表面不可逆地析出 FeTe₂层，形成 FeTe₂/Fe₃GaTe₂异质结，该异质结构破坏了反演对称性并产生界面DMI效应。

课题组确定了 FeTe₂析出以及后续形成斯格明子所需的临界厚度。基于这一认识，该研究利用装配在 attoDRY2100 低温恒温器中的 attoAFM I 显微镜开展磁力显微镜（MFM）测试，实现了无需场冷却即可确定性光热写入单个斯格明子，为基于斯格明子的自旋电子器件提供了一条新路径。

图4：Fe₃GeTe₂ 中的Dzyaloshinskii-Moriya 相互作用（DMI）。k） MFM 在 150 K 下、0.7 kOe 的磁场中退火前 FGeT 的图像，仅显示少量孤立的斯格明子。I) MFM 在 150 K 下、−0.7 kOe 的磁场中退火后的 FGeT 图像，显示出高密度的斯格明子。比例尺：5 nm

参考文章：

S. Xia et al., Spontaneous emergence of DzyaloshinskiiMoriya interaction via field-cooling-induced interface engineering in 2D ferromagnetic ternary tellurides.Nature Commun. 17, 4754 (2026)

相关设备：

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4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5： 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6：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。

attocube低温NV色心扫描成像磁强计-attoNVM

attoNVM 的核心优势集中于低温强磁场兼容、超高灵敏度与定量测量、纳米级空间分辨、超低振动长时稳定、探针与系统易用性五大维度，适配量子材料、超导、磁畴等前沿研究。

图6：低温NV色心扫描成像磁强计-attoNVM设备图

更多NV色心扫描成像数据：

1. 超导材料中的磁通漩涡

71K，BSCCO-2212样品磁通漩涡	3K，YBCO薄膜磁通漩涡

2. 单层二维材料中的磁学成像

70K， 扭转双层CrSBr样品	115K，反铁磁样品CrSBrz中的磁畴壁

3. 磁性薄膜材料中磁学性质测量

2.9K，Ir/Fe/Co/Pt 多层样品磁畴	3K，Ir/Fe/Co/Pt 多层样品磁畴

低温NV色心扫描成像磁强计-attoNVM主要技术特点:

• 最低温度：2K，温度范围：2-300K，低温强磁场系统主机：attoDRY2200

• 成像模式：光检测磁共振 (ODMR)，AFM，CFM，宽场，MOKE

• ODMR 在最低温度的对比度：≥ 8%

• 横向磁分辨率：<50nm

• 微波输出频段：0.7-6 GHz

• 磁场灵敏度：5 µT/sqrt（Hz）

• 单光子探测器：高量子效率（670 nm 时通常为 80%，保证 > 60%）

• NV色心：QZabre QST：完全集成的传感器芯片，尖端具有单个 NV、AFM 兼容的力反馈和集成微波天线

• 长期稳定性：漂移<100 nm/24h， ΔT =2K

• 激发波长：515nm，视野范围 ：大约55 µm，低温物镜：LT-APO/532-Raman

• 原子力显微镜性能： Z方向振动噪音水平： < 2 nm（均方根值）

• 样品移动范围：2 mm x 3 mm x 2.5 mm

• 精细扫描范围：30 x 30 x 4.3 µm³ @ 300 K, 18 x 18 x 2 µm³ @ 4 K

• 三维矢量磁场 ：9-1-1 T 或1-1-1 T

• 脉冲协议 ：Rabi, Ramsey Spin-Echo, CPMG, XY4, XY8

• 样品空间直径：49.7 mm

• MOKE功能：极性 MOKE，带有偏置光电探测器 (BW=500 kHz)、远程可控波片、集成到 QS3 软件中

低温NV色心扫描成像磁强计-attoNVM部分发表文献：

• Wong, K. C. et al. Super-moiré spin textures in twisted two-dimensional antiferromagnets. Nat. Nanotechnol. (2026)

• Jayaram, S. et al. Probing Vortex Dynamics in 2D Superconductors with Scanning Quantum Microscope. Phys. Rev. Lett. 135, 126001 (2025).

• Wang, Y.-X. et al. Configurable antiferromagnetic domains and lateral exchange bias in atomically thin CrPS4. Nat. Mater. 24, 1414–1423 (2025).

• Tschudin, M. A. et al. Imaging nanomagnetism and magnetic phase transitions in atomically thin CrSBr. Nat Commun 15, 6005 (2024).

• Song, T. et al. Direct visualization of magnetic domains and moiré magnetism in twisted 2D magnets. Science 374, 1140–1144 (2021).

• Sun, Q.-C. et al. Magnetic domains and domain wall pinning in atomically thin CrBr3 revealed by nanoscale imaging. Nat Commun 12, 1989 (2021).

• Thiel, L. et al. Probing magnetism in 2D materials at the nanoscale with single-spin microscopy. Science 364, 973–976 (2019).

• Gross, I. et al. Real-space imaging of non-collinear antiferromagnetic order with a single-spin magnetometer. Nature 549, 252–256 (2017).

• Thiel, L. et al. Quantitative nanoscale vortex imaging using a cryogenic quantum magnetometer. Nature Nanotech 11, 677–681 (2016).

• Rugar, D. et al. Proton magnetic resonance imaging using a nitrogen–vacancy spin sensor. Nature Nanotech 10, 120–124 (2015).

• Häberle, T., Schmid-Lorch, D., Reinhard, F. & Wrachtrup, J. Nanoscale nuclear magnetic imaging with chemical contrast. Nature Nanotech 10, 125–128 (2015).

低震动无液氦磁体与恒温器-attoDRY 部分国内用户单位：