基于同步辐射技术研究应变SrTiO3/SrRuO3超晶格的表面/界面微结构

Studying of the strong coupling between lattice, charge, orbital, spin degrees of freedom from the atomic scale and the mechanism of giant response to small stimuli in 4d SrRuO3-based heterostructure, are of great importance for further device applications. We have completed a NSFC project that is studying the surface/interface microstructure of insulating oxides based on synchrotron radiation techniques. In the present project, we will further synthesize high quality SrTiO3/SrRuO3 superlattice to study the surface/interface composition, structural defects, surface reconstruction as well as strain distribution based on synchrotron radiation X-ray surface scattering and XAFS. We will also take detailed study on the effect of lattice parameter, orientation and structure phase transition of substrate on the microstructure of SrTiO3/SrRuO3 superlattice and develop the application of X-ray scattering technique in the microstructure characterization of ultrathin film. The state-of-art microstructure characterization techniques and first-principle-calculation methods will help us to exclude the delicate relationship between microstructures and the new physical properties. This project also enables us to looking for novel quantum phenomenon and providing the theoretical basis and technique support for developing the electronic devices based on SrRuO3 system.

从原子尺度研究并调控外界微扰下4d族SrRuO3异质结体系晶格与电荷、轨道和自旋自由度之间的耦合作用以及电子态的演变规律，对推进该类材料走向应用具有重要意义。本项目在申请人已完成的前一个国家自然科学基金项目即利用同步辐射技术研究绝缘氧化物表面/界面微结构的基础上，结合SrRuO3体系内钌4d电子处于局域态与巡游态的边缘特性，制备高质量应力可控的SrTiO3/SrRuO3超晶格，继续利用同步辐射表面X射线散射和X射线吸收精细结构技术，表征超晶格的表面/界面化学组成、缺陷结构、表面重构、应变分布等。同时结合第一性原理计算细致研究衬底的晶格参数、取向、结构相变等对SrTiO3/SrRuO3体系微结构的调控规律，发展极薄层X射线散射技术，揭示钌氧八面体微结构对其新颖电磁基态的调制规律，为探索其他新的界面量子现象以及研发基于SrRuO3体系的新型功能电子器件提供理论依据与技术支撑。

本项目以申请人长期在过渡金属氧化物微结构表征方面的工作为基础，利用同步辐射、拉曼光谱、高分辨透射电镜、光电子能谱等技术研究SrRuO3相关体系的表面界面化学组成、缺陷结构、表面重构等，探讨体系内晶格与电荷、轨道和自旋自由度之间的耦合作用以及电子态的演变规律。主要研究成果如下：以3d族过渡金属离子为探针，系统研究了SrRuO3体系结构畸变及结构对磁电输运性质的调控；成功获得（001）和（111）取向单一终断面的 SrTiO3衬底表面，为不同取向的高质量SrRuO3 相关低维体系的可控生长打下坚实基础；研究了（111）取向SrRuO3薄膜的表面重构，获得√3×√3表面重构，该重构来自于有序的氧空位，为降低表面极性能，导致原子自发弛豫或发生重构；改变衬底取向和超晶格周期，可以调控钌八面体之间的连接方式相对位置，使得轨道占据数发生显著变化，进而体系磁性质也相应的发生改变；项目还向其他过渡金属氧化物以及半导体材料延伸，为后续更深入的研究奠定基础。在基金支持下，已发表SCI学术论文12篇，ISIP 收录论文1篇，申请专利1项，圆满完成目标任务。