复杂氧化物表面、界面和超薄膜量子调控和剪裁

用第一性原理计算结合轨道物理学的方法，对复杂氧化物层复合结构开展以调控氧化物电子学功能器件为目的的研究。拟解决的关键问题：原子结构和组分的再构、电子分布和轨道的再构与复杂氧化物层复合结构特性之间的关系，其输运性质改性和调控的微观机制。主要研究：功能氧化物层复合结构的获取方式和途径，以及层复合结构与新颖功能结构及输运性能之间的关系及其调控，在此基础上探索并预言复杂氧化物层复合结构的未知功能。主要特色：通过调控复杂氧化物在组分、极化、应变等参量按层梯度变化的层复合结构，辅以不同方式掺杂等可控缺陷改性技术，以达到改变复杂氧化物层复合结构的电子与原子结构、电子自旋与轨道、电子层间耦合等相互作用，阐明其微观机理，为其应用提供理论依据。

传统电子器件的微型化越来越困难，已经很快达到硅基技术的极限。一条出路是利用电子的另一内禀特性，自旋，将微电子学转向自旋电子学。一个有吸引力的方案是将氧化物集成到Si衬底上。然而，得到一个高质量的氧化物/硅界面既是应用之必须，也是一个极具挑战性的工作，因为O活性极强，哪怕最少的一点接触，也能使Si反应成SiO2。因此，到目前为止，这仍然是一个难以克服的瓶颈。我们提出了一个克服这个难以逾越障碍的途径。基于我们的第一性原理计算，我们发现，与Si表面很容易被氧化的传统观念不同，对于低温低入射能量的O，Si表面大多数氧化通道将封闭。关键是Si表面的自由电子能迅速地降低O的电负性。如果能预生长一层Sr，所有的氧化通道被封闭，高质量的氧化物/硅界面就可以实现。在另一方面，我们解释了在磁性钙钛矿BaTcO3中，伸张应变能够产生由非d0的B离子驱动的铁电相变，导致多铁效应共存于单相材料中。原因是，伸张应变不但使最低的未占据态从t2g转变为eg，而且还降低能隙使这种驱动力放大。最重要的是，我们的这一发现与具体材料Tc无关，是一个普适的规律，能应用到其他钙钛矿材料中。此外，我们还解释了实验上观察到的LaNiO3超薄层在绝缘体LaAlO3夹层中的金属-绝缘体相变。计算的电子结构显示，由于界面处化学成分突变，LaNiO3中Ni上的电子将转移到界面处O笼子顶角的O上，对反铁磁绝缘相有利，导致金属-绝缘体相变。所以，这是一种界面效应，而不是象其他早期研究所提出的量子约束效应。金属-绝缘体相变对应变的对称性响应也支持这一结论，与实验相符。