过渡金属氧化物薄膜的界面重构及其对称性约束效应

The heterointerfaces in transition metal oxides with its rich physical content and unique electronic properties become one of the forefronts of condensed matter physics and materials research in recent years. With small transition zone of atomic configurations at the interfaces, significant chemical and structural modifications, i.e., the interface reconstructions, usually occur at the interfaces. The interface reconstructions significantly affect the electronic processes like charge transfer, crystal field splitting, and the magnetic exchange interactions, giving high sensitivity of the electronic properties of the interface on the interface reconstructions. Therefore, accurate experimental measurement of interface reconstruction is very necessary in the process of exploring new phenomena in strongly correlated electron systems, and of developing new devices based on transition metal oxides. With the symmetries of the joining crystals and the interfaces as the mainline, the atomic configuration o f the interfaces in a series of oxide films and heterostructures will be measured in this project by integrating advanced electron microscopy methods and first-principles calculations. Thereby the point symmetry constraint effect, strain effect, as well as the size effect on the interface reconstructions will be investigated, and the basic rules of the oxide interface reconstructions would be established. Combining theoretical analysis and measurements of physical properties, the correlations between interfaces reconstructions and electronic structure and physical properties. The research results would contribute not only to the exploration of new phenomena in strongly correlated electron systems and the design of new functional devices, but also to the development of interface physics and chemistry.

过渡金属氧化物异质界面以其丰富的物理内涵和独特的电子性能成为近年来凝聚态物理与材料研究的前沿之一。氧化物中原子构型的界面过渡区很小，在界面处通常会发生比较明显的化学与结构调整，即界面重构，并显著影响界面的电荷转移、晶体场分裂、磁交换作用等电子过程，使界面的电子性能对界面重构非常敏感。因此，在探索电子强关联系统中的新现象、发展氧化物基的新器件的研究进程中，界面重构的精确实验测量是必经之路。本项目以晶体与界面的对称性为主线，综合应用先进电子显微学方法与第一原理计算，通过测定一系列氧化物薄膜与异质结构中的界面原子构型，总结界面重构的点对称性约束效应、应变效应、以及尺寸效应，建立氧化物界面重构的基本规则，并结合理论分析与物性测量建立界面重构与电子结构及物性的相互关联。研究结果不仅将为探索电子强关联系统中的新现象与设计新的功能元器件提供重要参考，而且将丰富界面物理与化学的研究内涵，促进学科增长。

过渡金属氧化物异质界面以其丰富的物理内涵和独特的电子性能成为近年来凝聚态物理与材料研究的前沿之一。氧化物中原子构型的界面界面处通常会发生比较明显的化学与结构调整，即界面重构，并显著影响界面的电荷转移、晶体场分裂、磁交换作用等电子过程，使界面的电子性能对界面重构非常敏感。因此，在探索电子强关联系统中的新现象、发展氧化物基的新器件的研究进程中，界面重构的精确实验测量是必经之路。本项目综合应用先进电子显微学方法各方法，以晶体与界面的对称性为主线，通过测定一系列氧化物薄膜与异质结构中的界面原子构型，总结界面重构的应变效应、尺寸效应，建立结构-性能相互关系。研究主要集中在：.1.新型纳米复合异质结构La0.67Ca0.33MnO3-NiFe2O4：NFO从原始态细条状转变为退火后八面体构型的纳米晶，均匀镶嵌在LCMO基体中，形成{111}界面并伴随着LCMO的结构相变。磁性和X-射线吸收谱测量发现，由于磁性NFO的构型演化，材料在室温下的磁性能极大增强。通过基体LCMO中的Mn-O6八面体与镶嵌纳米晶NFO中(Ni,Fe)-O6八面体的完美连接，从而很好地调控了异质界面处的磁耦合。本工作提供了一个通过多组员功能复合自组织结构达到调控材料物理性能的新思路。.2.基于不同衬底SrTiO3和LaAlO3上的SrRuO3-La0.5Ca0.5MnO3超晶格：由于不同晶体结构不同晶格常数的衬底而诱发系统不同的应变状态，定量测量得到原子尺度单胞常数。由于差别较大的双轴应变（面内和面外）而引起了显著的性能变化：磁耦合的强度和磁各向异性的变化，即表现为反铁磁耦合过渡层和大的磁滞现象。本研究在原子尺度定量分析了超晶格系统的应变状态，展示了控制界面处磁耦合强度的微妙之处，并可以作为一个模型系统来实现调控异质外延氧化物薄膜的复杂的磁性能。.3. 铁电隧道结BaTiO3- SrRuO3与BaTiO3- LaTiO3-SrRuO3多层膜：由于LTO插层的引入，导致隧穿电致电阻效应增强，与系统的界面原子构型和界面电子态有关。. 研究结果不仅将为探索电子强关联系统中的新现象与设计新的功能元器件提供重要参考，而且将丰富界面物理与化学的研究内涵，促进学科增长。