光学二次谐波研究过渡金属氧化物薄膜和异质结的界面特性

过渡金属氧化物薄膜和异质结的奇异物理性质和丰富而复杂的物理内涵，以及它们在应用方面具有的巨大潜力，使这类材料成为近几年来物理学和材料科学领域十分活跃的前沿研究领域。而这些奇异特性和物理内涵与其界面特性密切相关，研究界面层性质在物理学和材料学中变得越来越重要。但是，能对界面进行直接探测的手段却不多。利用光学二次谐波手段对过渡金属氧化物界面的研究在国外才刚刚开始，在国内还处于空白阶段。因此，开展利用光学二次谐波手段对过渡金属氧化物薄膜和异质结的界面的研究非常重要，是研究界面层中各种缺陷（包括氧缺陷）、电荷重构、离子扩散、尺寸效应等基本物理问题的重要方法。本课题将使用激光分子束外延技术生长过渡金属氧化物薄膜和异质结材料，重点从实验上研究界面的各种缺陷、电荷重构、离子扩散和尺寸效应等对材料的结构、输运、磁性、光学等特性的影响，并建立物理模型和模拟计算，分析过渡金属氧化物的界面特性。

在发展精确控制的生长技术方面，我们利用激光分子束外延设备，首先精控制备了不同厚度的的La0.9Mn0.1O3 (LSMO) 超薄薄膜，我们通过改变LSMO超薄薄膜的膜厚，来研究界面对LSMO薄膜特性的调制作用。我们成功搭建了一套在非线性二次谐波测量系统。系统地研究了SrTiO3 (STO) 表面的二次谐波响应，并用SHG技术研究了(001)-STO和(111)-Nb-doped STO的表面对称性。研究了二次谐波响应和样品的方位角和入射光的偏振方向的依赖关系。在理论分析的基础上，得出的STO (001)晶体的表面对称为4mm, 而Nb-doped STO (111)晶体具有3m的对称性。此外，通过用STO层覆盖La0.9Sr0.1MnO3薄膜来改变表面结构，其二次谐波响应比裸的La0.9Sr0.1MnO3薄膜的表面增强了很多。我们又用SHG技术对不同厚度的BiFeO3(BFO)薄膜中应力调制的晶体结构进行了研究。在异质结构的界面处，由于晶格失配而产生应力，应力的大小对薄膜的性质产生非常大的影响。我们在STO(100)衬底上用激光分子束外延设备分别精确控制原胞层数制备了从5到1122 ML的BFO薄膜，并用上海光源的同步辐射X光Mapping技术对其进行表征，用非线性二次谐波测量系统对其表征。初步结果表明，随着薄膜厚度的增大，界面处晶格失配导致的应力在薄膜中得到不断释放，BFO薄膜的晶体相却稳定在四方相，并且四方相的极化随着薄膜的厚度增大而增大。