铁电薄膜/镍酸镧多周期异质结构中界面微结构分析与介电增强的物理机制研究

The multilayer hetero-structures could induce the interfacial reconstructions of the lattice, charge, spin and orbital degrees of freedom by the discontinuity of chemical constituent and structure at the interface. It gives rise to a variety of unique phenomena. These attractive interface effects not only exhibit deeper connotation of physics but also could be used widely in the logic devices, passive devices, spintronics devices and other fields. Further understanding the physical mechanism behind these interface effects of the hetero-structures is of great significance to design new materials and utilize these physical effects by constructing the oxide heterostructures regularly and scientifically. The proposal will focus on the effects of the polar discontinuity exists in the ferroelectric thin film/LaNiO3 heterostructure,such as the electronic structure reconstruction, the lattice distortions, the spatial distribution of transferred charges, etc. and also the physical mechanism of the dielectric enhancement in the periodic [ferroelectric thin film/LaNiO3]n multilayer heterostructures will be explored. The implementation of the project would be of great help to a more accurate and deeper understanding about the periodic multilayer heterostructures and would have an important scientific significance and applicable value for the design and application of the new multilayer heterostructure thin film.

具有异质结构的钙钛矿氧化物薄膜通过化学组分、结构的不连续，实现了氧化物中电荷、自旋、轨道和晶格等不同自由度在界面处的重构，进而产生出独特的界面效应。这些界面效应不仅本身具有深刻的物理内涵，而且在逻辑器件、无源器件、自旋电子器件等领域具有非常广泛的应用前景。深入理解异质结构薄膜中界面效应的物理机制对于科学地、有规律地构建氧化物异质结构、设计新型材料和利用其物理效应具有重要的意义。申请人提出针对已表现出显著介电增强特性的铁电薄膜/镍酸镧异质结构薄膜开展异质界面极性不连续性对铁电薄膜/镍酸镧异质结构所产生的电子结构重构、晶格畸变、电荷空间分离等界面微结构变化的影响规律研究以及探索铁电薄膜/镍酸镧多周期异质结构能够实现介电增强的物理机制，该项目的实施对于极性不连续诱导的界面微结构变化在多周期异质结中所起的作用将有深入的理解，并对新型多层异质结构薄膜的设计与应用具有显著的科学意义和技术价值。

具有异质结构的钙钛矿氧化物薄膜通过化学组分、结构的不连续，实现了氧化物中电荷、自旋、轨道和晶格等不同自由度在界面处的重构，进而产生出独特的界面效应。这些界面效应不仅本身具有深刻的物理内涵，而且在逻辑器件、无源器件(电容、电阻和电感)、自旋电子器件等领域具有非常广泛的应用前景。深入理解异质结构薄膜中界面效应的物理机制对于科学地、有规律地构建氧化物异质结构、设计新型材料和应用具有重要的意义。该项目是针对表现出显著介电增强的铁电薄膜/镍酸镧（II-IV/ III-III）异质结构薄膜，开展界面微结构分析以及探索这种异质结构能够实现介电增强的物理机制。该项目分别从LNO /铁电薄膜异质结薄膜、LNO/铁电薄膜/LNO（三明治结构）多层异质结薄膜、[LNO/铁电薄膜]n多周期多层异质结薄膜等三个方面进行了系统深入的研究，额外开展了[LNO/铁电薄膜]n异质结薄膜应用的关键技术研究，以及新材料与基于LNO/铁电薄膜异质结薄膜电容器的研发工作。分别在高质量的多周期异质结构薄膜的设计方法、制备技术及相关薄膜表征；LNO层以及LNO上铁电薄膜的生长机制、晶体结构和应变变化；[LNO/铁电薄膜]n异质结薄膜载流子输运机制和电畴特性；LNO /铁电薄膜界面对氧空位分布的调控；LNO/铁电薄膜/LNO异质结上下界面对介电性能贡献的差异和晶格差异；[LNO/铁电薄膜]n异质结薄膜介电性能调控方法和性能优化研究；一种不牺牲LNO/铁电薄膜介电常数但能大幅度提升其耐击穿特性的关键技术；基于LNO/铁电薄膜异质结电容器的开发与研制七个方面取得了一批创新性显著的研究成果。该项目的实施对于极性不连续诱导的界面微结构变化在多周期异质结中所起的作用将有深入的理解，并对新型多层异质结构薄膜的设计与应用具有显著的科学意义和技术价值。