钙钛矿锰氧化物外延界面的输运和光电性质及其外场调控

Due to combination of strongly correlated electron system and low-dimensional physics, epitaxial interfaces of perovskite oxides have rich physical phenomena and broad applications. In this project, we will fabricate fine interface structures by depositing several/dozens of perovskite-type manganese oxide unit cell layers based on the atomic layer epitaxial deposition techniques, and systematically study the transport and photoelectric properties of the interfaces. Firstly, we will study the transport and photoelectric properties of the interfaces with different thickness and analyze physical properties brought by interface effect, size effect and lattice strain. Secondly, the transport properties of the interfaces fabricated by the substrates with different termination of the ion surface, crystal plane and chemical composition will be systematically studied. Theoretical researches on the rebuild mechanism of the energy band at the interface will be done. Due to their unique magnetic and transport properties of manganese oxides, the external field (magnetic field, electric field and pulsed current) modulation of transport and photoelectric properties will be studied in room temperature. In order to implement practical applications, the mechanism of modulations effect will be carefully analyzed. Through these researches, we will elucidate the relationship between fine structure of the interfaces and functional performance in theory and the rebuild mechanism of the energy band at the interface, which will lay the foundation of the function-oriented design of the device microstructures and a new way to design high performance manganese oxides devices at room temperature.

钙钛矿氧化物的外延界面是关联电子系统和低维物理的结合，蕴含丰富的物理现象，具有广阔的应用前景。本项目中，我们拟运用原子尺度外延生长技术，制备几个/几十个原胞层厚的钙钛矿锰氧化物异质结的外延界面结构，研究异质结界面的电子输运和光电性质。首先，研究界面外延原胞层数对界面电子输运和光电性质的调制，分析界面效应、尺寸效应、晶格应变所带来的物性变化。其次，研究构成界面的衬底终止离子面、晶面和成分对输运性质的影响，分析电子态和能带特征，探索界面的能带重构机制。最后，利用锰氧化物独特的磁性和输运特性，研究室温条件下，外场（磁场、电场、脉冲电流）对界面的电子输运和光电性质的调控，探究调控机制，实现室温下功能特性的调控增强。通过三方面的研究，阐释锰氧化物界面精细结构与材料性能之间关系和界面能带的重构机制，为实现功能导向的结构设计奠定基础，为实现室温条件下材料器件的开发提供新的途径。

钙钛矿氧化物的外延界面是关联电子系统和低维物理的结合。电荷、轨道、晶格、自旋强烈耦合，界面效应或外部激励可以打破平衡，极大的改变物性，因而具有丰富的物理现象和广阔的应用前景。本项目中，我们运用激光分子束外延技术，制备具有高质量外延界面的氧化物异质结，研究外延界面的电子输运和光电性质，及其外场调控效应。.1）界面电荷的调控效应。将TiO2外延到PMN-PT铁电单晶，构造了以TiO2为沟道的铁电场效应管。通过PMN-PT的门电场改变界面电荷极性，大幅改变沟道载流子浓度。同时，TiO2中的氧空位在界面和表面之间迁移，改变金属电极与TiO2之间的接触电阻，实现了多个非易失的电阻状态（0~341200%）。在20nm-La1-xHfxMnO3/PMN-PT中，基于温度和光照调控了外延层的载流子浓度，研究了电荷效应和应变效应的竞争关系和作用范围。.2）晶格应变的调控效应。基于铁电衬底的逆压电效应原位调控SrRuO3和Nd1-xSrxMnO3的晶格应变，探究Janh-Teller畸变、轨道杂化、相分离、电荷晶格相互作用的变化。实现了室温下基于应变效应，电场对薄膜输运和光电特性的调控。同时，利用氧含量和光至伸缩效应调控了外延SrRuO3薄膜的晶格应变，研究了其对垂直磁各向异性和输运性能的影响。在PMN-PT特定方向的施加小于矫顽场的电场，观察到铁弹畴切换过程，获得了多个面内非易失的应变状态，进而实现了基于应变效应的多值存储，这为开发多值存储器提供了的方法。.3）磁场、电场、光的耦合调控。基于Nd1-xSrxMnO3独特的磁学和电子输运性质，研究了磁场、应变、光对相分离的调制作用。实现了室温下，磁场、电场（诱导应变）、光对外延氧化物输运特性的耦合调控。这为开发氧化物的多功能的器件提供了一种思路。.通过这三方面的研究，深入了解了界面电荷、晶格应变、外场对外延氧化物输运和光电特性的调控，阐释了调制机理，为实现室温条件下功能器件的开发奠定了基础。