观察范德华铁磁体Fe₃GeTe₂中磁性斯克米子气泡

一、研究背景

  二维范德华(vdW)磁性材料是近年来材料科学的一个新领域，它为新一代自旋电子器件的应用提供了可能。本文报道了二维范德华Fe₃GeTe₂ (FGT)单晶中稳定的布洛赫型磁斯克米子的原位洛伦兹透射电镜(TEM)观察结果。当外加磁场垂直作用于(001)薄片温度低于居里温度TC的时，我们发现FGT中的基态磁条畴转变为斯克米子气泡。最有趣的是，沿着[001]方向施加磁场和场冷却操作，获得了六边形晶格的斯克米子气泡。由于其拓扑稳定性，通过进一步利用微磁模拟发现斯克米子气泡格在大的场冷却倾斜角下是稳定的。这些观测结果直接证明了二维范德华 FGT具有丰富的拓扑自旋织构，在自旋电子学领域具有广阔的应用前景。

二、工作简介

图1.范德华(vdW) Fe₃GeTe₂ (FGT)单晶的结构和磁性能。（a）双层FGT晶体结构模型。（b）从ac 和 ab方向视图。（c）晶体XRD。（d）沿着[001] 方向HRTEM图像。（e）沿着[010] 和 [001] 晶向HRTEM图像。（f）温度-磁性强度曲线。

图2.用垂直于ab平面的电子束洛伦兹-透射电子显微镜(Lorentz-TEM)拍摄的范德华 FGT薄片的畴结构的代表性图像。（a-d）在零场冷却(ZFC)过程中，当样品温度从300 K降至100 K时，FGT的洛伦兹-透射电镜(Lorentz-TEM)图像聚焦不足。 (e-h)低聚焦洛伦兹- tem图像。

   样品中出现了典型的明暗磁对比，表明磁条纹畴的自旋沿磁易轴向上和向下，磁易轴被博尔奇畴壁隔开。随着温度的降低，磁条纹变得更宽、更清晰，而畴壁仍然保持原来的状态。值得注意的是洛伦兹-tem样品的临界温度TC与体积样品的临界温度TC是一致的。

图3.(a-d)在600 Oe现场冷却(FC)过程中，当样品温度从300降至93 K时，FGT的洛伦兹-透射电镜(Lorentz-TEM)图像聚焦不足。（e-h）低聚焦洛伦兹-透射电子显微镜图像显示了零场变暖(ZFW)过程中气泡晶格的演化。

  在中心对称磁体中，垂直磁各向异性与磁偶极-偶极相互作用之间的竞争是产生斯克米子气泡的关键。

图4.（a-d）使用旋转角度的场(600 Oe)进行FC操作后，在93 K时斯克米子气泡的欠聚焦洛伦兹-透射电镜图像。（e,f）低聚焦和过聚焦的洛伦兹-Tem图像的斯克米子气泡采取在93 k和零场。（g）斯克米子气泡通过TIE分析得到的放大的平面内磁化分布图。（h）理论模拟斯克米子晶格的应用磁场。

三、小结

综上所述，我们证明了二维范德华FGT晶体中博尔奇型斯克米子的形成。由于其拓扑稳定性，六边形的斯克米子气泡经过场冷却处理后，在零场的大倾斜角下是稳定的。我们观察到的稳定的斯克米子气泡晶格对于开发基于斯克米子的二维范德华器件具有重要义，并可能对这些二维范德华晶体的磁性和磁性输运性质产生强烈的影响。

四、文献信息

文章名称：Observation of Magnetic Skyrmion Bubbles in a van der Waals

Ferromagnet Fe₃GeTe₂

文献链接：http://pubs-acs-org-s.vpn.njust.edu.cn:8118/doi/10.1021/acs.nanolett.9b03453