钙钛矿型钴氧化物应变超薄膜的局域结构和自旋-轨道秩序的掠入射荧光XAFS研究

Transition-metal oxides become one of the hot research topics in condensed matter physics because of their exotic physical properties, due to the strong coupling between their spin, orbital, and charge. Particularly, the perovskite cobalt oxide LaCoO3 shows unusual nonmagnetic - ferromagnetic transition under certain strained conditions, which attracts lot of interests. But their origins are still not clear. In addition, cobalt oxides are promising materials for various applications, such as high temperature thermoelectric devices. However, the related thermoelectric theory is not yet matured. In this project, we propose to synthesize LaCoO3 films with thickness in the range of 10-100 nm, and tune the strain of the films using substrates with different lattice constants. We will then use grazing incidence fluorescence XAFS to study local structures and spin-orbital orders of the strained perovskite cobalt oxide films, and characterize their thermoelectric properties. This project will paint a clear picture of microstructure and electronic properties of cobalt oxide films under strains, study the effects of various local fields on thermoelectric properties of the cobalt oxides, and provide some guidelines for improving their thermoelectric conversion efficiency.

过渡金属氧化物由于系统内部自旋、轨道、电荷多自由度的强烈耦合而呈现出许多奇异性质，从而成为凝聚态物理领域研究的热点之一。具有钙钛矿结构的钴氧化物LaCoO3在一定的应变条件下从非磁性到铁磁性的反常磁相变引起了广泛的关注，但机理还不太明确。此外，该氧化物有望应用于高温的热电器件中，然而其热电理论还有待深入研究。本项目拟在氧化物衬底上沉积厚度为10-100nm 尺度范围的LaCoO3 钴氧化物超薄膜，通过挑选具有不同晶格常数的金属氧化物衬底来调制薄膜的应变，并利用掠入射荧光X 射线吸收精细结构（XAFS）技术，结合其他辅助表征手段，研究钙钛矿型钴氧化物超薄膜的局域结构和自旋-轨道秩序，并对其热电性能进行测量。本项目的意义在于理清钴氧化物在应变场下的微观结构和电子性质变化的图像，探索多局域效应及其协同作用对钴氧化物的热电性质的影响，有望为提高钴氧化物的热电转换效率提供设计指南。

随着能源、环境和新材料科学的发展及其相关的科学研究深入，人们需要知道各种功能薄膜、器件表面、固体-固体和固-液体界面结构特性。采用XAFS结合其他表征手段往往能够得到更全面的信息，从而有利于材料性能的优化设计。在本项目支持下，我们的研究工作无论在同步辐射XAFS系统还是应用方面均取得一些重要进展。部分研究成果已经申请发明专利5项，发表13篇SCI文章，其中5篇文章发表在JCR一区刊物上. ..该课题的合作单位中国科学院高能所谢亚宁等人设计发明了一套用于XAFS实验的掠入射的装置以及相应的实验调整设定方法流程及计算机控制调整程序软件，与常规的同步辐射XAFS实验系统相结合，构成一个完整的掠入射XAFS实验装置。该设计装置已经申请专利并已授权。该装置也已经在北京同步辐射光源的吸收谱线站公开给用户使用，并已取得成果...应用北京光源光电子谱线站的脉冲激光沉积的方法，我们生长制备了LaCoO3薄膜，并用光电子谱（XPS）和吸收谱（XAFS）对薄膜的电子结构进行了表征。发现薄膜的厚度对其电子性质有很大的影响，薄膜在不同生长温度下，微结构和电子性质也有很有趣的变化，说明局域应变场对微结构和电子性质有很大的影响。我们也研究了退火温度对LaCoO3薄膜结构和热扩散系数的影响，通过优化参数得到最佳的综合性能。..热电转换技术(也称温差电技术)是利用热电效应进行热能和电能相互转换的技术，热电转换效率的高低主要取决于热电材料的电导、热电功率和热导。对于纳米材料的电、热输运机制的深入了解将有助于寻找或设计高效的纳米热电材料。纳米材料的热传导性质对提升热电转换效率很关键。纳米结构的热电输运表现出有别于体材料的特殊而又有趣的现象。我们通过与西安交通大学、美国西北大学合作，纳米结构对热电材料性能的提升途径。充分利用了Bi2Te3拓扑绝缘体的拓扑保护的表面态具有非常高的电子迁移率的特性，并考虑了多孔结构对热导的抑制作用，实现了新型具有纳米多孔拓扑结构高效热电材料的设计。..本项目课题组与诺贝尔奖得主诺沃肖洛夫院士开展了实质性合作研究，已在石墨烯、氧化石墨烯、氮化硼等二维材料的散热特性和机理研究方面已取得重大突破，首次证明了大批量制备的氮化硼（BN）复合材料具有很高的导热能力同时又是优良的绝缘体，有望在工业界应用。