钴基钙钛矿氧化物异质结的界面结构、电子结构和磁有序

In-depth knowledge of the lattice structure and electronic structure of perovskite oxide hetero-interfaces is not only crucial to understand the origin of some unconventional quantum phenomena such as two dimensional electron gas, interface conductivity and magnesium but also critical to design oxide thin-film devices for practical applications. Currently our knowledge on the structure of these interfaces is primarily limited in the regime of traditional lattice constant mismatch, however; the lattice distortion induced by interface symmetry mismatch is not appropriately considered for a long time. This proposal will consider the latest experimental progress, combine advanced heterostructural epitaxial growth and interface characterization techniques, to quantify the symmetry mismatch and octahedral distortion in LaCoO3 based interfaces. First-principles simulation and electron energy spectroscopies will be employed to unravel the impact of this structural distortion on the electronic structure, such as interface charge transfer and spin structure, as well as magnetic properties of the interface. Experimental study and theoretical simulation will then be combined to suggest an appropriate magnetic moment interaction model, thus providing new perspective to resolve the long-standing debate regarding the origin of the long-range magnetism for thin film LaCoO3. Finally, we will develop several experimental strategies to realize the “Symmetry Engineering” of heterostructural interface, and propose this new strategy as a general approach to engineer the physical properties of materials.

深入研究钙钛矿氧化物异质结的界面和电子结构，对于理解二维电子气、界面超导和磁性等非常规界面量子现象和开发相关氧化物薄膜器件至关重要。目前我们对氧化物异质结界面结构的认识局限于传统的晶格失配层面，由于界面晶体对称性差异所引起的晶格畸变，长期以来一直被忽视。本项目拟结合最新的实验进展，利用先进的异质结生长和界面表征技术，研究LaCoO3基异质结界面晶体对称性失配和八面体扭曲状态。我们将采用第一性原理模拟和电子能谱表征，从深层次揭示这种界面结构扭曲对界面电荷转移和自旋态等电子结构和磁学特征的影响，以提出合理的磁矩相互作用模型，为解决长期以来LaCoO3薄膜磁性起源的争论提供新思路。我们还拓展对称性调控（Symmetry Engineering）的概念，将从实验角度提出几种可行的方法来调制界面晶体对称性失配程度，且进一步探索其作为一种新的手段在广义上对材料性能调控的可能性和一般规律。

在过渡金属氧化物中，钴基钙钛矿是一类非常奇特的材料，复杂的电子与晶格之间的相互作用（晶体场分裂和交换耦合）使得钴酸盐表现出奇特的自旋状态和磁学特性。而钴酸镧薄膜呈现更为特殊的长程铁磁有序，但其铁磁相变的物理机制至今不明确。..本项目利用先进的材料外延生长技术和基于同步辐射的精细结构表征方法，揭示了钴基钙钛矿异质结和超晶格中氧八面体的扭转状态，及其对磁学性能的影响规律。当晶体对称性较低的材料生长在对称性较高的材料上时，其界面会出现晶体对称性失配，钙钛矿八面体扭转就反映了这种晶体对称性的降低。在过去长时间的研究中，人们对界面晶格失配造成的应力现象给予了充分的研究，但对界面晶体对称性失配的现象及其对材料性能的影响研究较为匮乏。通过对钴酸镧和钛酸锶超晶格的研究，发现这种晶体对称性失配造成的八面体扭转可以受到界面应力的调控，即通过调控高对称性立方结构夹层钛酸锶的厚度，处于完全应变状态的钴酸镧的氧八面体可以实现连续的扭转，从而实现晶体结构从准四方相到扭曲的单斜相的连续变化，从而带来材料磁性的连续变化，使超晶格从铁磁状态逐渐变化到非磁状态。我们进一步发现，这种界面状态的变化对材料性能的影响具有普适性，从磁性的钴基钙钛矿，到具有铁电特性的铁基钙钛矿都能起到良好的调控作用，即材料的对称性调控。在钙钛矿结构铁酸铋和铬酸铋超晶格中，此现象会导致体系光学带隙的减小，从而实现近可见光波段的铁电光伏效应。在铁酸铋和钛酸钡超晶格中，此现象会与界面极性失配耦合，造成特殊的界面能带弯曲，实现光生载流子在实空间的物理分离，形成电子传输通道和空穴传输通道，从而极大地降低光生载流子的复合，有助于提高光电转换效率。..本项目的研究结果，有助于帮助研究人员从界面晶体对称性失配的角度重新审视钙钛矿氧化物异质结的晶体结构和电子结构。也为实现该类物质光、电、磁等物质性能的调控和新奇物理现象的发掘提供了崭新的研究思路。