过渡金属氧化物异质结界面的原子结构和电子结构研究

The complex oxide heterostructures composed of different transition metal oxides, due to the special atomic structure and magneto-electric coupling, exhibit a rich variety of exotic physical phenomena and even some new properties and functions which are absent in conventional semiconductor heterostructures, so they offer great potential applications in novel electronic devices and become an important topic in condensed matter physics. The critical factor determining these physical properties is the interface effect, i.e., atomic and electronic structure reconstruction localized in several unit cells at the interface. In this project, by using different experimental techniques based on atomic-resolution transmission electron microscopy, the atomic structure and electronic structure characters near the interface composed of different transition metal oxides will be intensively investigated, including structure defects, strain field due to the lattice mismatch, oxygen octahedral rotation and distortion, interface charge transfer, oxygen vacancy, covalent bonding and electron orbital reconstruction. We will focus on the factors determining the interface properties and their roles on the atomic structure and electronic structure of the films. Furthermore, by combing with the image and spectra simulations as well as First-principles electronic structure calculations, the measured atomic and electronic structure reconstructions near the interface will be used to analyse the relationship between the interface features and physical properties such as magnetism and multiferroics. Therefore, these results will provide great insights not only into the understanding of the peculiar physical phenomena induced by the interface effect but also into the synthesis of new multifunctional oxide heterostructures of better performance.

由不同过渡金属氧化物构成的异质结中，界面处特殊的结构特征和磁电相互作用会诱导出许多奇特的物理现象，甚至拥有许多传统半导体异质结所不具备的性质和功能，因而在电子学器件方面具有巨大的应用前景，也是凝聚态物理基础研究的一个重要方向。决定这些特殊物理性能的关键因素是异质结的界面效应，即界面处几个原子层内的原子结构重构和电子结构重构。本项目将利用高分辨透射电子显微学的多种实验技术，通过在原子尺度上详细研究几种过渡金属氧化物异质结的界面晶体结构和电子结构特征，如晶格失配导致的应力场分布、氧八面体畸变、电荷转移、氧空位和电子轨道重构等，分析这些界面特征出现的原因以及他们对薄膜晶体结构和电子结构的影响。此外，结合图像和能谱模拟以及第一原理电子结构计算，深入理解界面结构与磁性和铁电性等物理性质的关联，从而对由界面效应导致的奇特物理现象给出合理解释，并探索合成性能更好的功能氧化物异质结的合理方案。

由不同过渡金属氧化物构成的异质结中，其特殊的界面效应会诱导出许多奇特的物理现象，甚至拥有许多传统半导体异质结所不具备的性质和功能，因而在电子学器件方面具有巨大的应用前景，也是凝聚态物理基础研究的一个重要方向。这种界面效应往往决定于界面处几个原子层内的原子结构重构和电子结构重构，因此需要高空间分辨率的实验手段来表征。本项目主要利用球差透射电镜的多种实验技术，如高角环型暗场像(HAADF)、环型明场像(ABF)和电子能量损失谱(EELS)，在原子尺度上详细研究了几种过渡金属氧化物异质结和核-壳结构的界面应力场分布、氧八面体畸变、电荷转移、氧空位和电子轨道重构等。1）实验表明La2/3Ca1/3MnO3/CaRu1-xTixO3超晶格中薄膜层厚度的变化改变了氧八面体旋转大小，而Ti元素的掺杂有助于不同层之间的电荷转移，这两者的结合不仅使超薄的La2/3Ca1/3MnO3层仍然具有铁磁性，而且相邻两层之间可以表现出层间反铁磁耦合。类似的现象也出现在了La2/3Sr1/3MnO3/SrRu1-xTixO3和La0.7Sr0.3MnO3/CaRu0.5Ti0.5O3超晶格中。2）揭示了在不同取向的NdGaO3衬底上生长的La2/3Ca1/3MnO3薄膜具有不同的外延应力，薄膜中的电荷有序反铁磁绝缘相源自于b轴的单轴拉应力。衬底的取向还可以通过氧八面体旋转耦合调控薄膜的晶格畸变，从而使不同厚度的薄膜具有不同的物理性质。3）揭示了SrTiO3衬底上的LaCoO3薄膜的铁磁性主要来源于外延应力，而非氧空位。而在LaCoO3纳米颗粒表面发生的低自旋态往高自旋态的转变来源于表面氧八面体旋转的抑制。4）将研究中发展的实验方法进一步应用到其他具有界面效应的体系中，证实了Ca3Mn2O7多铁相材料中共生相Ca4Mn3O10通过界面氧八面体耦合可以使母相在室温下转变为铁电相，并揭示了核-壳结构ZnO纳米线的界面存在无规应力场。对这些氧化物异质结界面和表面的研究不仅在微观尺度上解释了其特殊物理现象的根源，也有助于理解过渡金属氧化物中电荷、自旋、轨道和晶格等自由度之间的相互作用。此外，在项目研究中发展出来的实验方法也可以应用到其他具有异质结或界面结构的材料中，尤其是半导体和微电子领域的器件研究。