复杂材料异质界面电荷转移诱导的新奇量子态研究

The modern microelectronics based on the interface band engineering of conventional semiconductors has led the human society into the information era. For complex functional materials, such interface charge transfer associated with the band bending is expected to induce more interesting behaviors. We propose to study the control of charge transfer at interfaces of complex materials, including the polar discontinuous interface between ionic crystals, and the gate structures with highly dielectric insulating layers. We aim to tune the charge density of the interface electron systems in a broad range precisely, thus realize the control of their physical properties. We will also construct spin polarized, orbit ordered, anomalous magnetic, or topological states at heterointerfaces by manipulating the interactions between different electron degrees of freedom. Novel quantum phenomena will be explored and the microscopic picture of the lattice influence will be described from the dynamic point of view. The plan is to take the advantage of our knowledge on fundamental surface physics, laying the basis on the precise control of growth of low-dimensional complex materials. We will also develop and apply high resolution characterization techniques to discover and investigate quantum effects. The control mechanism will be proposed to bring new concept to the development of next-generation electronics.

基于传统半导体界面能带工程的微电子工业将人类社会带入了信息时代。而对复杂功能材料而言，界面能带弯曲即电荷转移将诱导体系表现出更为丰富的行为。本项目拟研究对复杂材料界面电荷转移的设计与控制方法，利用离子晶体极性不连续的界面获得二维电子体系，以及制备高质量的介电层并通过栅压在大范围精确调节界面体系的电荷密度，从而实现铁电、超导等物理性质及其人工调控；通过电子自旋、轨道等多种自由度之间的耦合作用在异质界面构筑自旋极化、轨道有序、反常磁性与拓扑量子态等，实现量子反常霍尔效应等新奇量子现象；还将探讨微观晶格对电子态的影响作用及其动力学机制。本项目将充分发挥申请团队在表面物理方面积累的基础优势，从对复杂材料低维结构制备的精确控制入手，通过微观尺度的高分辨率综合表征，发现新的低维量子体系与新奇量子效应，并提出人工调控的方法与原理，直接推动新概念电子器件设计的发展。

复杂功能材料异质界面体系由于对称性破缺、维度降低以及空间限域效应，呈现出丰富的物理现象和性质，而且其结构的二维特征还为电荷调控带来了机会，是研究新奇量子现象的理想平台。本项目针对复杂材料异质界面电荷转移诱导的新奇量子现象及其人工调控展开深入系统的研究，取得的重要结果包括：1、复杂氧化物极性不连续界面的电荷调控，发展了特殊的加热的方法在SrTiO3衬底上获得了大面积均匀的单晶Vo有序相LaCoO2.67和LaCoO2.5薄膜，实现了对氧空位浓度及其晶格占位的精确控制，并直接观测到薄膜磁性、电输运以及光学性质的演化。在LaCoO3/LaTiO3异质结构中利用LaTiO3厚度可靠调控了不同LamComO3m-1相之间的转变。2）量子材料薄膜的大范围场效应电荷调控，在SiC表面的石墨烯上生长出Te超薄膜，并通过层厚控制调节其带隙在近红外波段变化。进而利用石墨烯对衬底电子掺杂效应的屏蔽作用，获得了具有连续晶格的二维同质面内p-n结。3）界面超导增强的电荷调控，利用半导体有机分子的表面吸附实现了对FeSe/SrTiO3体系超导的纯电荷开/关调控。在Si(111)表面获得了高质量的LaSi2(112)超导薄膜，并从晶格和电子能带角度全面解析了界面效应对超导态形成的影响。4）关联电子体系异质界面的电荷调控，基于SrTiO3(110)表面重构的演化规律，获得了浓度可控并受钝化层保护的二维电子气系统。5）钙钛矿结构氧化物(111)超晶格的电子态调控，通过对生长动力学的控制有效抑制了LaTiO3/SrTiO3(111)异质界面的元素互扩散；发现了外延LaTiO3(111)薄膜的反常晶格收缩。制备出LaCoO3/SrTiO3(111)超晶格并观测到铁磁性，为反常量子霍尔效应的实现奠定了基础。6）复杂材料异质界面晶格对电子态的影响。详细研究了FeSe/SrTiO3界面的晶格动力学，澄清了其中超导增强的微观机理。上述成果代表了复杂材料低维结构的生长及其精确控制、异质界面新奇物理现象的探索及其机理研究、低维量子结构物理性质的电荷调控等方面的原创性前沿进展，受到国内外同行的广泛关注和高度认可，项目组在高水平学术期刊上发表文章共34篇，在重要学术会议上做邀请报告16次。