强关联氧化物LaAlO3/SrTiO3界面低温电子散射研究

Polar-mismatched strongly-correlated oxide interfaces can exhibit exotic electrical transport and spin ordering properties unique to either of the two bulk oxides alone, which have thus attracted great attention in oxide electronics. The discovery of a high-mobility two-dimensional electron gas and the coexistence of ferromagnetism and superconductivity at the LaAlO3/SrTiO3 interface lead to a surge of studies on this system in recent years. However, as a result of non-unique origins of the electron gas, including the intrinsic charge transfer and the extrinsic oxygen vacancies in SrTiO3 substrates, there has been intense controversy in the past studies on the low-temperature electron scattering mechanisms of this system: Kondo scattering or weak localization? That is because the two types of carriers behave distinctly in low-temperature transport properties and also the degree of localization is different. This project is to fabricate LaAlO3/SrTiO3 heterostructures with the carriers of choice and investigate low-temperature scattering mechanisms for each type of heterostructure, which is expected to finally resolve the controversy regarding the important physical question for this field.

极性失配的强关联氧化物界面由于电子重构会呈现出一些新奇的不同于块体的电子输运和自旋有序特性，因此在氧化物电子学领域备受关注。近年来，能带绝缘体LaAlO3和SrTiO3界面的高迁移率二维电子气的发现以及超导和铁磁共存使得这个物理体系十分有趣。但由于此界面二维电子气既有内在的起源—界面电荷转移，又有外在缺陷相关的起源—SrTiO3衬底中氧空位，而这两种起源的载流子的低温输运特性和局域化程度有很大不同，从而使得关于此体系的低温电子散射机制的研究至今争议很大：Kondo磁性散射还是二维电子弱局域化？本项目拟将根据申请人前期的工作，分别制备出氧空位二维电子气和电荷转移二维电子气的氧化物异质结，并对各自的低温散射机制进行电子输运和磁性研究，以期从不同载流子种类的层面解答该领域这一重要的物理问题。

强关联氧化物的晶格、电荷、自旋、轨道自由度既相互作用又相互竞争，因而拥有非常丰富的物理性质，如高温超导、金属-绝缘相变、庞磁电阻、电子相分离、铁电和多铁等。本青年基金项目：（1）研究了强关联氧化物LaAlO3/SrTiO3（LAO/STO）界面二维电子气的低温电子散射机制，通过分别制备氧空位诱发和界面极性诱发二维电子气的LAO/STO异质结，进行系统磁输运测量研究，发现STO中氧空位产生的二维电子气由于氧空位缺陷能级在STO导带4-25meV以下，低温下大部分电子由于载流子冻结效应而局域化，从而产生了局域化的Ti3d磁矩及近藤散射；而界面极性失配诱发的电子起源于LAO价带向STO导带的电荷转移，在低温下由于二维量子束缚，时间反演的电子路径之间发生相干加强，电子输运的主要散射机制为弱局域化；这些研究结果有望解决LAO/STO界面二维电子气低温电子散射机制的争议；（2）研究了强关联氧化物LaMnO3/STO (LMO/STO)界面新奇铁磁性的物理起源，通过高质量原子层尺度LMO/STO异质结制备、X射线吸收谱、X射线磁圆二色谱测量、第一性原理计算等研究，发现当LMO生长到2个原子层时候，界面极性失配诱发LMO薄膜内部电势累积会导致电子从LMO表面层向界面LMO层转移，从而使得表面出现Mn4+、界面出现Mn2+离子，Mn2+、Mn3+、Mn4+离子的混合通过双交换耦合机制使得原来块体为反铁磁的LMO在LMO/STO异质结中变为铁磁；（3）基于LAO/STO界面电子散射机制的研究成果，构建了基于5s电子轨道的二维电子气；LAO/STO界面体系依赖Ti的3d轨道，电子室温迁移率低，很大程度上制约了其室温电子器件应用。申请人利用宽禁带透明氧化物材料BaSnO3，构建了基于5s电子轨道的氧化物界面二维电子气体系，其室温迁移率比3d电子轨道的LAO/STO界面二维电子气高一个数量级，且对外部应力非常敏感，并制备出了高灵敏度的室温氧化物电子记忆器件。