基于双电层强电场技术5d铱氧化物新奇物性的探索

5d transition metal oxides exhibit a rich and fantastic physical phenomenon due to the completion and interaction of the strong spin-orbit coupling and moderate electron correlation. Electric-field control the macroscopic physical properties of transition metal oxides is a hot topic and challenge in condensed matter physics. In this project, the 5d perovskite iridates with strong spin-orbit coupling: Sr2IrO4 and Sr3Ir2O7 are selected as the research objects. We expect to break through the limit of chemical doping effect via a strong electric field with the electric double-layer gating and induce the metallic property, even superconductivity in these 5d Mott insulator. Through two approaches of electric field regulation: electrostatic charge accumulation and electrochemical ion intercalation, the electrical transport, magnetoresistance and magnetic properties are systematically investigated. The influences of electric-filed modulated carriers and ion intercalations on the crystal structure, electronic structure and spin polarization are studied to clarify the microscopic mechanism underlined these fantastic physical phenomenon controlled by an electric field. At the same time, it is also expected to find novel topological quantum states in these strong spin-orbit-coupled 5d iridates and explore new physical effects and develop potential device applications.

由于强的自旋轨道耦合和适度的电子关联的相互竞争和相互作用，5d过渡金属氧化物表现出丰富而奇特的物理现象。通过外加电场调控过渡金属氧化物的宏观物性，一直是凝聚态物理研究的热点和难点。本项目拟选择具有强自旋轨道耦合的5d铱氧化物Sr2IrO4和Sr3Ir2O7为研究对象，期望利用双电层强电场技术，突破化学掺杂的极限，在该体系Mott绝缘体中诱导出金属性，甚至超导特性。通过电解质凝胶膜与铱氧化物界面的静电场电荷积累和电化学离子嵌入两种电场调控模式，对该体系的电输运、磁电阻、磁特性等展开系统的电场调控研究，揭示强电场调制的载流子和离子嵌入对铱氧化物晶体结构、电子结构和自旋极化的影响规律，厘清电场调控5d铱氧化物奇异物理现象背后的微观机理。同时也期待在这一强自旋轨道耦合的5d铱氧化物体系中发现可能存在的新型拓扑量子态，探索新的物理效应与器件应用。

双电层强电场技术已广泛应用于材料物理性质的电场调控研究，并由此产生了众多有趣的物理现象，衍生出了各种潜在应用。本项目采用脉冲激光沉积法制备出高品质5d过渡金属氧化物铱酸锶外延薄膜，总结生长工艺、外延应力以及化学掺杂等对铱酸锶外延薄膜电学和磁学性能的影响规律。基于双电层结构超强的电场效应和巨大的载流子调控能力，实现电场对过渡电子氧化物Mott相变的调控，通过原位X射线衍射、拉曼光谱、二次离子质谱等微观结构与成分分析，揭示电场调控Mott相变的机制。开发出具有高开关比、低功耗和高稳定性的双电层Mott晶体管原型器件，并探索其在人工智能领域：电子突触、神经形态计算、生物痛感模拟等方面的应用。目前已在Nature Communication、Advanced Functional Materials、ACS Nano等权威刊物上发表SCI论文28篇，授权发明专利1项。主要研究成果如下：.1）发展5d铱氧化物外延薄膜制备技术，实现不同Ruddlesden-Popper（RP）结构钙钛矿铱酸锶外延薄膜的可控制备，总结外延应变、生长温度、氧气分压等对铱酸锶外延薄膜的结构、电学和磁学性能的影响规律。.2）研究化学掺杂对5d铱氧化物外延薄膜的结构、电学和磁学性能的影响，揭示化学掺杂铱酸锶外延薄膜的电输运机制。.3）研制基于5d铱酸锶外延薄膜的电解质门控晶体管，揭示电场调控的物理机制，实现多种生物突触功能的模拟。.4）研制低维铁电极化的新原理器件，为铁电极化场效应调控5d铱氧化物提供新的思路。