多层膜结构对氧化物临界行为和能带结构的调制研究

氧化物中电荷、自旋、轨道和晶格之间通常有着复杂且多层次的耦合，而呈现出丰富的性质，通过外延生长在垂直方向上制备多层膜结构，改变这些耦合作用，能够实现对氧化物能带结构以及临界行为的调制。我们拟利用激光分子束外延，结合电输运和电子能谱，针对LAO/STO二维电子气和V-Ti氧化物超晶格金属绝缘体相变，设计和制备多层膜结构，对这两类临界行为以及它们的能带结构进行研究和调制。研究内容主要包括：（1）在LAO/STO表面外延生长关联态氧化物层探测LAO表面能带结构；（2）在LAO/STO表面生长金属层调控其界面二维电子气；（3）V-Ti氧化物超晶格金属-绝缘体转变的作用机制及临界点的费米面结构。我们对这些多层膜体系的研究，将加深我们对氧化物多层膜结构中的新的量子效应和临界行为的理解，并揭示一些产生这些效应和行为的作用机制及调制方法，进一步完善我们对氧化物复杂相互作用的认知。

在本项目中，我们基于激光分子束外延的高质量多层氧化物异质结构制备，重点针对钙钛矿氧化物多层膜结构中界面新奇量子效应，在机理和应用上进行了深入的研究，并且拓展到研究很少的准一维界面领域，为研究一维界面调控奠定了基础。我们在本项目的研究中，主要取得了以下几个方面的研究成果：（1）通过激光分子束外延制备了原子级平整的极性/非极性氧化物异质结LaAlO3/SrTiO3，然后在异质结表面蒸镀金属电极，利用界面二维电子气为天然集成的底电极，以光伏效应为有效探针来测量LaAlO3两边的电势差，实验结果成为为数不多的直接支持极性崩溃理论的重要证据。（2）我们研究了分子束外延制备的超薄原子层分辨的锰氧化物超晶格(LaMnO3)N/(SrTiO3)N的磁性，进一步，我们进行了同步辐射X-射线精细结构吸收等表征，并且发展了同步辐射X射线确定氧八面体旋转的手段。最终，从实验上得到了周期N≤6的超晶格氧八面体扭转和界面磁性关联的关键证据。我们的这项研究成果开拓性的提出了界面晶格结构的扭曲对调控界面磁性关联相互作用有着非常重要的作用。（3）利用CVD和PLD结的方法合成了直径为几十纳米的单晶La0.33Pr0.34Ca0.33MnO3/MgO纳米线，在这种接近量子相干长度尺寸的一维纳米线中，电子相分离的相竞争机制和宏观体系出现了很大的不同，表现为纳米线中磁性冻结相的比例有很大的增加。另外，我们利用类似的方法生长了La0.67Sr0.33MnO3/MgO 壳层结构的纳米柱阵列，在室温附近磁阻效应比在单晶薄膜材料磁阻增加3倍左右，其原因主要为一维纳米结构之间的弱耦合作用。以上研究成果均以论文形式发表在SCI学术期刊上，包括 Nature Communications、 Scientific Reports、 Applied Physics Letters等。