锰氧化物基多层结构异质结中自旋依赖的半导体特性研究

锰氧化物不仅具有半导体特性，而且拥有高自旋极化率，由其构成的异质结融合了半导体学和自旋电子学两方面的问题，具有丰富的物理内涵和极大的研究潜力。本项目以界面自旋极化对锰氧化物异质结半导体特性的影响为切入点，使用具有高自旋极化度的锰氧化物构造异质结，在半导体输运行为中引入自旋、电荷、轨道自由度以及上述自由度的人工调控。通过引入适当的缓冲层以及后处理调节界面状态如缺陷、应力、氧缺位和载流子浓度等控制界面自旋极化，研究其对电子结构、扩散势垒和整流行为的影响，阐明自旋依赖隧穿过程的物理机制。研究外场驱动的自旋等有序度的改变对异质结界面势垒、耗散层等特性的影响，找到光、磁场调节锰氧化物异质结性能的方法。本项工作不仅可以澄清锰氧化物异质结中自旋相关电子输运行为背后的物理机制，更好地理解锰氧化物异质结特性的本源，而且对研究和设计集自旋电子学和半导体特性于一身的新型多层结构功能器件也具有重要实际意义。

锰氧化物不仅具有半导体特性，而且拥有高自旋极化率，由其构成的异质结融合了半导体学和自旋电子学两方面的问题，具有丰富的物理内涵和极大的研究潜力。本项目研究了LaMnO3插层对半掺杂LCMO/STON异质结自旋极化输运特性的影响。发现当LMO层厚度为3nm时，异质结的负磁电阻出现极值。分析表明LCMO/LMO/STON异质结中增强的磁电阻可能来源于磁场驱动的铁磁有序增强导致的LMO/STON界面空穴载流子浓度的增加。对不同取向La1-xCaxMnO3/STON异质结的输运特性研究发现(110)取向的异质结比(100)取向的具有明显高的界面势垒，界面氧空位导致的界面净电荷分布乃至界面极化不连续和屏蔽效应是导致(110)取向异质结具有较大界面势垒的主要原因。研究了(001)取向PMN-PT表面生长的La0.15Sr0.85TiO3/LCMO异质结的晶格应变相关输运特性，发现LSTO/ LCMO异质结的界面势垒随PMN-PT衬底外加电场的增加线性降低，表明可以通过动态调节界面晶格应变来线性调制异质结的参数。进一步分析表明张应变减小导致的界面束缚电荷被释放是该现象的主要原因。研究了界面静态和动态应变对锰氧化物薄膜及异质结电荷轨道有序及磁输运特性的影响。通过选择不同的衬底和改变薄膜厚度在锰氧化物薄膜中引入了大小、特性及程度不同的晶格应变，控制薄膜中不同有序相之间的竞争进而调节其输运特性。首次在(001) 取向的La7/8Sr1/8MnO3薄膜中实现了张应力诱导产生的低温电荷轨道有序转变，研究了动态晶格应变下薄膜的磁输运行为,揭示了电荷轨道有序态对晶格应变的响应灵敏度远大于无序态。研究了(001)-La2/3Ce1/3MnO3/PMN-PT薄膜静态和动态两种晶格应变下的自旋相关输运行为。发现了由大的张应力所导致的低温区铁磁金属到铁磁绝缘体的转变－铁磁电荷轨道有序转变,并且很小的应变变化就可以明显地改变转变温区附近的磁输运行为，表明拉伸应变在电荷轨道有序态的形成中起关键作用。发现了(011)取向的La0.9Ba0.1MnO3/PMN-PT薄膜中动态晶格应变和极化效应之间共存又相互竞争的复杂关系。研究了不同衬底诱导的晶格应变对PCSMO薄膜中不同相之间共存的影响，发现张应变能增强PCSMO薄膜中长程电荷轨道有序相（CO）的稳定性而压应变则会导致CO相稳定性减弱。