钙钛矿氧化物异质结磁电性能的电场调控及机理研究

To achive high-speed and low-power nonvolatile memory, electric-field control of the magnetic and electric properties of perovskite oxides is at the core of oxide spintronics. Based on the rich electronic phases and superior magnetic and electric properties, perovskite oxide heterostructures is highly promising for application in high-speed, high-density, and low-power information storage. Traditional electric-field control methods relying on interfaces effects only apply to single films, the recently emerging ionic liquid modulation can penetrate deeper into films thus providing an opportunity to investigate the electric-field control of oxide heterostructures. Through a controllable preparation and accurate design of heterostructures and device structures, the coupling of lattice, orbital, charge, and spin degrees of freedom with the ionic liquid modulated oxygen vacancy migration of oxide heterostructures is systematically investigated to illuminate the mechanism of electrical-field control of the magnetic and electric properties. A practical theory and methodology would be developed for the reversible electric-field control of the properties of heterostructures, bringing about promotions of the application of oxide heterosturestures in the area of information storage.

为实现高速度、低能耗的信息存储，电场调控氧化物的磁电性能一直是氧化物自旋电子学研究的核心。基于氧化物异质结丰富的电子相结构和和优良的磁电性能，氧化物异质结在信息存储领域有着广阔的应用前景。传统的电场调控手段往往基于界面效应而只适用于单层膜系，近年新兴的离子液体调控能够深入薄膜内部，为氧化物异质结电场调控的实现提供了契机。本项目选用离子液体这一强有力的电场调控手段，选取氧化物中极为典型的锰氧化物和镍氧化物构成异质结，系统地研究离子液体电场控制的氧空位迁移与异质结的晶格、电荷、轨道、自旋四种强关联自由度的交互作用，阐明异质结磁电性能的电场调控机理，发展出一套电场调控氧化物异质结性能的理论和方法，推进氧化物异质结在信息存储领域的应用。

钙钛矿锰氧化物和镍氧化物，因其丰富的物理现象和优良的性能，有望应用于下一代高速、高密度、低功耗信息存储器件。有效调控钙钛矿锰氧化物和镍氧化物磁学和电学性能是钙钛矿氧化物电子学器件实用化的关键。本项目首先开展了高质量La1-xSrxMnO3（LSMO）、LaNiO3（LNO）薄膜及其异质结的优化生长工作。通过基片处理和工艺参数优化的手段，实现了高质量外延LSMO/LNO异质结的制备，为性能调控打下了坚实的基础；其次，本项目开展了离子液体对LSMO单层薄膜的磁学性能、LNO单层薄膜的电学性能的调控工作，掌握了离子液体对钙钛矿氧化物磁学性能和电学性能调控的规律，为后续工作的开展提供了重要的参考价值；再次，我们揭示了LSMO/LNO异质结的电子结构、应力状态和轨道占据状态的关系，阐明了电荷转移是促使3z2−r2轨道择优占据的关键因素，揭示了铁磁和顺磁异质结界面自旋玻璃态产生的根本原因；最后，我们基于离子液体电场对电子结构和轨道占据的调控作用，在LSMO/LNO体系实现了交换偏置效应。总而言之，本项目系统地研究离子液体电场对LSMO、LNO薄膜及其异质结的晶体结构、电子结构、轨道相关磁学和电学性能的调控作用，初步实现了对薄膜及其异质结磁电性能的调控，深化了和拓展了电场调控钙钛矿氧化物异质结磁电性能的机制和方法。