钙钛矿型过渡金属氧化物异质界面电子结构重构的第一性原理研究

The interplay between spin, orbital, lattice, and charge in transition metal oxides will give rise to a lot of emergent phenomena, inculding high-temperature superconductivity, colossal magnetoresistive effect, half-metallicity, ferroelectricity, and multiferroicity. Heterointerfaces based on these transition metal oxides will exhibit novel aspects. Here, we study the interface polar-discontinuity-induced electronic reconstruction at the perovskite heterointerface of transition metal oxides and its consequence on the orderings of spin, orbital, and charge therein. Based on density-functional theory, we determine the ground state crystal structure, magnetic structure and electronic band alignment at the heterointerface and try to construct a general model for the magnetic/electric-orderings related interface electronic reconstrcution. Our studies not only improve the understanding of the physics in transition metal oxides, but also provide real examples for novel magnetoelectric controls.

自旋，轨道，晶格和电荷多种自由度的相互作用给过渡金属氧化物带来包括高温超导，庞磁电阻效应，半金属性，铁电性和多铁性在内的丰富物理现象。而基于过渡金属氧化物的异质界面则展现出更为奇异的母体所不具备的物理特性。本课题重点研究具有钙钛矿结构的过渡金属氧化物异质界面处由于极性不连续导致的电子结构重构及其对体系中电荷序，轨道序，和自旋序的影响。我们利用基于密度泛函理论的第一性原理方法确定界面处晶体结构，磁结构和相应的能带排列结构；建立与微观磁电结构相适应的电子结构重构一般模型；找寻过渡金属氧化物异质界面电子结构重构的一般规律。我们的研究不仅加深了对氧化物电子结构及其物理性质的认识，更将为实现新颖的磁电调控提供可行方案和实际材料结构。

自旋，轨道，晶格和电荷多种自由度的相互作用给过渡金属氧化物带来包括高温超导，庞磁电阻效应，半金属性，铁电性和多铁性在内的丰富物理现象。而基于过渡金属氧化物的异质界面则展现出更为奇异的母体所不具备的物理特性。本课题重点研究具有钙钛矿结构的过渡金属氧化物异质界面处由于极性不连续导致的电子结构重构及其对体系中电荷序，轨道序，和自旋序的影响。我们利用基于密度泛函理论的第一性原理方法确定界面处晶体结构，磁结构和相应的能带排列结构；建立与微观磁电结构相适应的电子结构重构一般模型；找寻过渡金属氧化物异质界面电子结构重构的一般规律。我们发现LaAlO3/EuTiO3界面的自旋极化二维空穴气，和相邻二维电子气的库伦作用，从而形成自旋极化的激子。这些自旋极化的电子-空穴对在低温下的可能凝聚为实现自旋无耗散输运提供可能。另外，我们在CrO2超薄膜中发现拓扑态，即量子化的反常霍尔效应，与普通拓扑绝缘体磁性离子掺杂相比，这种体系具有较高的转变温度，这为实现自旋电子学应用提供材料可能。我们还在双钙钛矿Sc2FeCrO6结构中发现了自旋极化光电流以及四方结构铁氧化物SrFeO2表面磁结构的重构。我们的研究不仅加深了对氧化物电子结构及其物理性质的认识，更将为实现新颖的磁电调控提供可行方案和实际材料结构。