铁电及多铁性氧化物与金属异质结界面的构筑、量子态探测与电场调控

Novel physical phenomena and quantum effect usually emerge at solid heterostructure interface in correlated systems, e.g. superconductivity at the interface between two insulators, orbital reconstruction at the interface between superconductive and ferromagnetic materials, enhanced spontaneous magnetism between two antiferromagnetic phases etc. All of the above exotic behaviors are absent in their parent materials, which provides us more opportunities to study charge, spin, orbital degree of freedom in the two dimensional system. Ferroelectric and multiferroic materials may play critical roles in the future possible applications of low-energy cost, high density electronic devices due to their ability of electrical control. In this project, based on applicant's recent study on the ferroelectric/multiferroic thin films and magnetoelectric heterostructures, we will use physical deposition techniques like laser molecular beam epitaxy, sputtering, atomic layer deposition etc. to fabricate the oxide/metal heterostructures. The applicant will focus on the study of the charge, orbital, spin and their possible coupling at the interface of oxides and magnetic metals. With the full understanding of the physical mechanism of interface effects such as magnetoelectric coupling, applicant and the collaborators will try to realize the electrical control of the emerging quantum phenomena at the interface using a combination of focus ion beam etching and probe-based technique. The applicant will also explore the possible application of interfacial magnetoelectric coupling on the future low-energy cost, high read/write speed and high density data storage devices.

关联体系固体异质结界面通常会出现奇异物理特性以及新奇量子效应：如绝缘体界面的超导特性，铁磁与超导界面的轨道重构现象，反铁磁界面的增强自发磁化效应等。这些界面处的新奇特性在其母体材料中是不存在的，为我们研究关联体系中的电荷、自旋、轨道、晶格的相互作用提供了更广阔的空间。由于电场可控性，铁电、多铁性材料将在低能耗、高密度信息器件中发挥重大作用。本项目将在申请人近年来对铁电、多铁性薄膜以及氧化物磁电异质结研究的基础上，继续利用激光分子束外延等技术，来实现铁电、多铁性氧化物与磁性金属异质结界面的构筑。着重研究外延铁电、多铁性氧化物与磁性金属界面的自旋、轨道等量子态相互作用，以及由此引起的界面磁电耦合效应。在理解其物理机制的基础上优化性能，结合离子束刻蚀等技术进行微纳加工，实现界面新奇量子态的电场调控。探索室温界面磁电效应在低能耗，高读写速度和高存储密度等电子信息器件上的应用。

关联体系固体异质结界面通常会出现奇异物理特性以及新奇量子效应：如界面弹性耦合而产生的磁电效应、铁磁与超导界面的轨道重构现象、反铁磁界面的增强自发磁化效应等。这些异质结构中的新奇效应为我们研究关联体系中的电荷、自旋、 轨道、晶格的相互作用提供了更广阔的空间。由于电场可控性，铁电、多铁性材料有望在未来低能耗、高密度信息器件中发挥重大作用。本项目根据申请人近年来对多铁性薄膜及氧化物磁电异质结的研究基础，利用激光分子束外延等技术，来实现多铁性氧化物基磁电弹异质结界面的构筑。着重开发纳米尺度多功能（力、磁、电）扫描探针显微镜，来研究外延铁电、多铁性氧化物异质结薄膜中的自旋、极化、晶格等量子序参量之间的相互作用，以及由此引起的多铁性耦合效应。.在该项目的资助下，四年内在国际高水平杂志发表SCI学术论文十余篇，特别是以第一通讯单位在Nature Communications（两篇）、Advanced Functional Materials（一篇）、Nanoscale（一篇）、Physical Review B（一篇）等期刊上发表论文。四年内共申报专利四项（其中两项已授权）。在主要的代表性学术成果中，着重研究并报道了多铁性氧化物极其异质结构的生长、多铁性序参量的纳米尺度低能耗探针调控：利用两相共存的BiFeO3薄膜体系，实现14%的可调控应变（Nat. Comm., 4, 2768 (2013)），这是目前在无机材料中实现的最大的形状记忆效应（高于形状记忆合金中的8%）；在多铁性层状钙钛矿氧化物Bi2WO6薄膜中首次实现了无束缚状态的铁弹性翻转，为未来多铁性的纳米尺度弹性调控的高密度集成打下了重要基础（Nat. Comm. 7,10636 (2016)）。这些成果自发表以来，受到《Nature Materials》的专题亮点报道 （http://www.nature.com/nmat/journal/v13/n1/pdf/nmat3844.pdf），题目为“Shape-memory materials: Nanoscale oxides shape up”。同时还受到Materials 360、Nature Asia、以及“科学网”、“果壳网”等国内外媒体的广泛关注。由于这一系列的学术成果，近四年来项目负责人还受到国际重要学术会议的邀请报告十余次，国内学术会议邀请十余次。