锰/钌类钙钛矿氧化物多层膜中量子有序态的多场调控

Interface of perovskite oxide is one of hottest issues in condensed matter physics. The complex entanglement of lattice, charge, spin and orbital degrees of freedom at interfaces can lead to a wide spectrum of electronic states. In this project, we are going to epitaxially grow perovskite-oxide multilayers [La0.67A0.33MnO3/BRu1-xTixO3]N on high-quality piezoelectric single crystal PMN-PT to construct “Mn/Ru oxide multilayers/PMN-PT” heterostrucutres. By controlling the doping concentration of Ti atom, the spacer layer BRu1-xTixO3 can be adjust from metal to insulator, and then the oxide multilayer films with different interface states can be designed. The lattice strain and carrier concentration of the Mn/Ru oxide multilayers can be modulated by a electric field applied across the PMN-PT substrate. We will study systematically the effect of multi-field of strain field, magnetic field, electric field, and temperature field on the oxide multilayers so that we can understand the effect of in-situ lattice strain and interfacial charge on magnetic, antiferromagnetic interlayer coupling and transport properties, thereby providing the experimental basis and theoretical guidance for the potential application of oxide-based artificial antiferromagnetic related devices.

钙钛矿氧化物界面受晶格、电荷、自旋、轨道等多自由度的耦合作用,导致其表现出丰富的界面电子态,是近年来凝聚态物理研究的热点和前沿。本项目提出将钙钛矿结构氧化物多层膜[La0.67A0.33MnO3/BRu1-xTixO3]N生长在高性能压电单晶基片PMN-PT上构建“锰/钌氧化物多层膜/PMN-PT”异质结构。通过调节Ti原子掺杂浓度，间隔层BRu1-xTixO3会分别处于金属、半导体和绝缘体状态，可以设计具有不同界面状态的氧化物多层膜。对PMN-PT基片施加电场，调控锰/钌全氧化物磁性多层膜的晶格应变以及载流子浓度，通过应力场、磁场、电场、温度场等多场协同作用，系统研究该体系磁学性能、反铁磁层间耦合及输运性能受原位晶格应变和界面电荷的影响，为制备氧化物基的人工反铁磁相关器件提供必要的实验依据和理论指导。

过渡金属氧化物ABO3由于存在晶格、自旋、电荷及轨道等多自由度之间的耦合和表/界面对称破缺，很容易形成复杂的量子序，从而表现出超导电性、巨磁电阻、铁电性等丰富的物理效应。利用超薄磁性薄膜构建和调控人工反铁磁结构是氧化物异质结构研究需长期面临的问题和挑战。本项目围绕锰酸盐/钌酸盐超晶格的原位多场性能调控开展了系统按研究，取得了如下创新性成果：（1）我们成功地利用对间隔层的化学掺杂和生长取向控制实现了对钙钛矿锰/钌氧化物超晶格的层间交换耦合调节。（2）我们以超薄La0.67Ca0.33MnO3/SrRuO3超晶格为例，对堆垛周期(N)调制下的横向磁各向异性重取向行为进行了研究，发现超晶格横向磁各向异性的变化是由面内轨道极化所驱动。（3）在超薄La0.67Ca0.33MnO3 (LCMO)和SrRuO3(SRO)超晶格中发现了很强的铁磁性，其居里温度(TC)高达到291 K。在此基础上，我们构建了界面工程下La1-xCaxMnO3的扩展相图。（4）系统研究了LCMO/CRTO人工反铁磁体层分辨磁翻转机制，发现LCMO层磁矩的反转是由磁孤子的成核、膨胀和收缩引起的。这种独特的磁翻转过程在简单的场循环之后在合成反铁磁体中产生了翻转的磁性构型。（5）研究了Hf0.5Zr0.5O2/ La0.67Sr0.33MnO3异质结构中各向异性应变作用下的对称性工程与铁电性增强，各向异性拉伸应变稳定了铁电的菱形和斜方相，从而极大的提高剩余极化强度。相反，各向异性压缩应变则促进了非铁电四方相的形成，导致剩余极化强度的降低。（6）实现了利用铁电场效应结构极化翻转所产生的非易失性极化电荷来有效调控Bi2Te3薄膜的载流子密度和载流子类型以及其其它性质。.本课题共发表SCI论文21篇，包括1篇Nano Lett.，1篇Adv. Fun. Mater., 1篇Nano Research, 6篇ACS Appl. Mater. Interfaces，2篇Appl. Phys. Lett.。