近期，中国科学院合肥物质院强磁场中心陆轻铀课题组依托稳态强磁场实验装置组合显微系统，成功自主研制12 T干式超导磁体中敏感样品磁力显微镜（MFM），得到了对空气敏感材料三碘化铬（CrI3）本征磁结构的清晰高分辨图像，成像无需对样品表面进行防氧化的保护膜处理。样品在手套箱洁净环境中制备、处理完成后，需要被转移到低温、强磁场环境中进行磁成像测量，而自主研制的独特MFM测量杆的可拆卸密封腔可以充分保护样品免受空气暴露的影响，从而确保敏感样品结构的完整性和表面清洁，最终获取其微观本征磁结构信息。该研究成果以“Glovebox-assisted magnetic force microscope for studying air-sensitive samples in a cryogen-free magnet”为题，作为封面文章，发表于国际著名仪器期刊Review of Scientific Instruments。
在二维范德华材料领域，二维磁性材料作为新兴的重要成员，近年来获得了极大关注。它们之所以受到青睐，主要归因于在自旋电子学和高密度数据存储领域的巨大应用潜力，特别是其少层或单层体系所具有的纳米、原子尺度电、磁结构集成芯片兼容性优势。为了深入探究其内在机制和磁各向异性等现象，高分辨率显微成像技术对于揭示表面磁性结构显得尤为关键。不过，大多数已发现的二维磁性材料在空气中表现出极高的活泼性；当样品厚度减少至仅具有少数的几个单胞时，样品极易变性、氧化、或污染，为直接表征其本征磁结构带来了技术上的重大挑战。
研究团队通过自主研制的磁力显微镜插杆，将可拆卸的密封腔与手套箱结合，确保了空气敏感样品在从手套箱转移到低温环境时的表面清洁度和结构完整性。为了适应密封腔室的有限空间，并避免MFM镜体与腔室壁直接接触而引入的振动噪音，研究团队开发了一种结构紧凑且刚性出众的新型磁力显微镜。这款显微镜采用了独特的“蜘蛛马达”步进，最大直径15 mm，即使在狭窄的空间和极端条件下，例如水冷磁体或混合磁体中，也能正常工作。此外，它还为在手套箱内灵活定位和测试微米级尺寸样品提供了便利。
为了验证该设备性能，研究团队在低至5 K的低温和高达11.9 T的强磁场环境下，直接成像了对空气非常敏感的范德华磁性材料CrI3样品，其MFM图像揭示了微米尺度上软铁磁畴的存在，以及具有结构钉扎形状的磁畴。
这些研究不仅对于揭示磁性样品的本征磁畴具有至关重要的作用，而且为未来尖端磁存储器件的研发与创新奠定了坚实的基础，有望为磁学领域带来重要突破。
中国科学技术大学博士研究生张雨琛为该论文第一作者，强磁场中心陆轻铀研究员和孟文杰副研究员为共同通讯作者。该项研究得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院重大基础设施维修改造、中国科学院合肥大科学中心高端用户培育基金等项目的支持。
文章链接：https://doi.org/10.1063/5.0186587
《Review of Scientific Instruments》当期封面
CrI3磁畴图像随磁场强度的变化