二维锰氧化物离子液体场效应研究

Manganite has been attracted reasonable attetions in the last several decades as its colossal magnetoresistance, metal-insulator transition and charge-orbital ordering etc. The exchange in the varied value Mn site is the basis for understanding the physics phenomena of manganite, for instance, the double exchange between Mn3+ and Mn4+ gives rise to its metallic ferromagnetic phase, however the information in terms of the charge-lattice interaction from sysmetic and accurent experiment is still lacking. In addtion so far the exchange between Mn3+ and Mn2+ is also in the matter of dispute as direct experimental evidence is not provided yet. In this proposal we will study the transport properties of Mn3+/Mn4+ and Mn3+/Mn2+ by ionic liquid field effect on LaMnO3, we believe this study can not only offer a fundamental understanding of classic physics problem in manganite, but also provide useful information for the design and application of one/low dimensional spintronics device.

锰氧化物作为强关联电子体系，拥有庞磁电阻效应、温度和载流子浓度依赖的金属绝缘体转变、电荷轨道有序等丰富的物理现象，是科学研究的热点之一。理解不同价态的Mn位交换相互作用是认识并应用庞磁电阻效应的基础。Mn3+和Mn4+之间的双交换作用可以定性解释铁磁金属相的物理图像，但电荷、自旋和声子的相互作用还缺乏系统、准确的对比研究；此外由于缺乏直接的实验证据，Mn3+和Mn2+之间的交换作用至今也具有争议。申请人将利用二维母体锰氧化物LaMnO3薄膜，结合离子液体场效应以原位调制载流子浓度获得Mn3+/Mn4+和Mn3+/Mn2+体系，并对Mn-O八面体的畸变和取向进行设计和研究，观测磁输运行为。此研究课题对理解锰氧化物的磁相互作用具有重要的科学意义，同时为低维铁磁体设计和调制也提供了信息，为将来的低维纳米自旋电子学的应用提供理论依据和实验基础

拥有巨磁电阻效应的锰氧化物是凝聚态物理中的重要材料体系，不但蕴含了丰富的物理内容，由于其具有百分之百自旋极化等特性，在自旋电子学新型材料应用中也占有重要的地位。锰氧化物具有载流子浓度敏感的电、磁相图，不同于金属合金材料，在物性调控方面具有独特的可能性；此外，对锰氧化物涉及到的复杂、多样的磁交换作用加深理解也对基础研究具有深刻意义。项目负责人在晶胞级别的LaMnO3器件中，利用离子液体所产生的静电效应，对LaMnO3载流子注入浓度、类型所产生的电、磁输运特性进行了系统的研究。实验发现：（1）利用离子液体场效应，正、负电场均可驱动绝缘相LaMnO3电阻降低至出现金属绝缘体转变；（2）在载流子浓度高注入情况下，磁场可进一步降低LaMnO3通道电阻，并提高金属绝缘体的转变温度，体现负磁电阻现象；（3）在相同注入载流子浓度情况下，空穴能够诱导更低的LaMnO3电阻率及更高的金属绝缘体转变，体现不对称双极性输运行为。通过第一性原理辅助理解，我们认为：这一不对称性来源于电子和空穴对Mn-O面垂直方向交换作用截然不同的影响造成的。此外我们也实现了电子型锰氧化物的金属相及磁电阻效应。该工作对双极性自旋电子学器件、双通道场效应自旋滤波及场效应自旋阀都有重要借鉴作用。