钙钛矿氧化物低维纳米结构中量子现象及其调控机理研究、以及在氧化物电子学方面应用探索

This project is aimed to carry out the studies of quantum phenomena and their regulation mechanisms in perovskite oxide low-dimensional nanostructures and application exploration in oxide electronics. At nanoscale single-crystalline perovskite oxide (BaTiO3、PbTiO3、(La,Pr)CaMnO3) nanowires will be fabricated by combinating chemical self-assembled method with ordered nanoporous anodic aluminum oxide (AAO) membranes. The quantum phenomena in perovskite low-dimensional oxides and their regulation mechanisms under external fields will be investigated by piezo-force microscopy (PFM), physical property measured system (PPMS), and superconducting quantum interference devices, and special attention will be paid to the novel quantum states, quantum behaviors under the coupling among different order parameters, and quantum phase transitions in the small quantum system structure with spatial confinement. By using negative spherical aberration imaging technology the size, direction and its distribution of the electrical polarization in the perovskite oxide low-dimensional nanostructures will be quantitatively determined at picometer scale. The microscopic formation mechanism of the electrical polarization in the perovskite oxide low-dimensional nanostructures and their edge effects will be revealed at atomic-scale. The microscopic mechanism of the electronic phase separation and its correlated mechanism with electrical and magnetic transport properties will be revealed at atomic-scale by aberration-corrected electron microscopy, which provide the scientific bases for developing new-typed quantum-modulated devices based on the perovskite oxide low-dimensional nanostructures and their applications in oxide electronics.

本项目拟开展钙钛矿氧化物低维纳米结构中量子现象及其调控机理研究、以及在氧化物电子学方面的应用探索。利用化学自组织方法和氧化铝纳米有序孔模板技术相结合，在纳尺度制备钙钛矿结构氧化物（如BaTiO3、PbTiO3、(La,Pr)CaMnO3）单晶纳米线；利用压电力显微镜、物性测试系统及超导量子干涉仪在纳尺度系统研究钙钛矿氧化物低维纳米结构中的量子现象及其外场调控机理，特别关注受限的小量子体系结构中新奇量子态、不同序参量耦合下的量子行为和量子相变；利用负球差成像技术，在皮米尺度定量确定钙钛矿结构氧化物低维纳米结构中电极化的大小、方向及其分布，从原子层面揭示铁电极化产生的微观机理以及低维纳米结构中的边缘效应；利用像差校正电子显微术，在原子尺度揭示电子相分离的微观物理机理及其与电磁输运特性的关联机制；为开发基于钙钛矿氧化物低维纳米结构的新型量子调控器件以及在氧化物电子学方面的应用，提供科学依据。

钙钛矿结构（ABO3）氧化物低维纳米材料因其典型的电荷、轨道、晶格及自旋间的多关联性而具有一系列重要的物理性能(如介电、铁电、压电、超导、巨磁电阻等特性和效应),相关纳米结构的制备、量子现象及其调控机理研究，以及在氧化物电子学方面的应用基础研究，已成为凝聚态物理学领域的研究热点。本项目采用空间几何限制的方法制备了钙钛矿结构BiFeO3纳米晶，抑制其自旋螺旋结构，从而增强其铁磁性；利用元素掺杂方法，引入化学压力，重点研究了La、Pr和Ba元素对Bi位掺杂以及Ba/Cr的共掺杂对 BiFeO3纳米晶的物性及微结构影响；利用sol-gel 方法合成 Ln0.67Ca0.33MnO3（Ln = La, Pr, Nd, Sm）纳米颗粒，探索了纳米颗粒中的铁磁和反铁磁相互作用和相互竞争；系统研究了不同的稀土掺杂元素、掺杂比例对 (La1-xLnx)0.67Ca0.33MnO3（Ln = Pr, Nd, Sm）纳米颗粒的磁性能影响，建立了理论物理模型并给出合理的解释；通过调控水热工艺参数，实现对(La0.6Pr0.4)0.67Ca0.33MnO3低维纳米结构形貌的有效控制；利用熔盐法合成了BaTiO3纳米颗粒、纳米棒以及PbTiO3纳米线，并对其物性和微结构进行了表征；利用（高压）高温固相反应法及熔盐法合成了双钙钛矿结构的Bi2FeCrO6、Bi2FeMnO6及Ba2FeNbO6，对其介电、磁性及光学性能及微结构进行了系统研究，探索它们在自旋电子学、电控磁储存器及铁电光伏领域的潜在应用，为发展基于钙钛矿氧化物低维纳米结构的新型量子调控器件以及新兴氧化物电子学科，提供重要的物理基础和科学依据。