基于层状类钙钛矿结构的氧化物界面及其量子现象研究

Heterointerfaces between strongly correlated transition-metal oxides have been proven to be ideal platforms for investigating new physical phenomena, such as the two dimensional electron gas (2DEG), shedding light on the next generation multifunctional oxide electrons. Up to date, the studies of 2DEG have been mainly focused on a single type of materials (ABO3 perovskites), however, the underlying physics, especially the role of oxygen vacancies, is still elusive and under hot debate. Investigating heterointerfaces made up of non-perovskite oxides is of great interests in providing deeper understanding of 2DEG and in searching of other emergent interfacial quantum phenomena. Recently, we have uncovered the microscopic growth mechanism of an important class of layered perovskites (Ruddlesden-Popper series) and obtained their atomically precise interfaces using an improved layer-by-layer growth technique employed in oxide molecular beam expitaxy (MBE). This breakthrough enables the investigation of 2DEG in a new type of oxide interfaces made up of layered perovskites, paving the way to a more complete understanding of 2DEG. In this project, we propose the study of heterointerfaces based on layered perovskites using oxide MBE in understanding the physics of 2DEG. Novel interfacial quantum phenomena and the engineering of these interfacial effects by epitaxial strain and external field will be also investigated.

过渡金属氧化物的d轨道电子间具有较强的关联作用，其异质界面在对称性破缺和维度限制下可形成体块材料中不存在的新颖量子现象（如二维电子气2DEG），有望成为下一代电子器件的基础。目前，氧化物界面2DEG研究主要局限于钙钛矿结构氧化物中，其内在机理特别是氧缺陷的作用还存在若干争议，在新材料体系中实现和研究2DEG现象有望成为一个新的突破口。层状类钙钛矿结构与钙钛矿结构氧化物具有很多的相似性和差异性，为深入理解2DEG的机理及发现新颖界面量子现象带来了新的机遇。最近，申请者在层状类钙钛矿氧化物微观生长机制方面取得了重要的研究进展，利用氧化物分子束外延（MBE）技术制备出原子精度的明锐异质界面，使得研究基于非钙钛矿结构的氧化物界面成为了可能。本课题拟应用氧化物MBE研究基于层状类钙钛矿结构的异质界面，深入揭示2DEG的产生机理，实现二维应力及外场对界面效应的调控，并探索新型界面量子现象。

基于过渡金属氧化物的异质界面及超薄二维结构可获得具有关联效应的低维量子现象，有望应用于下一代多功能电子器件。钙钛矿氧化物异质界面与超薄膜的物性强烈依赖于其表面与界面构型，而精确界面结构的制备受限于当前的薄膜制备技术。本项目利用分子束外延（MBE）薄膜制备技术，提出了共沉积的薄膜生长方法，解决了MBE薄膜生长中原位精确校准化学计量比方面存在的困难，大幅提高氧化物外延薄膜制备的精度与效率。本项目还系统地研究并揭示了复杂多元氧化物薄膜生长过程中原位监控手段--反射高能电子衍射谱（RHEED）--的机理，并提出对外延薄膜表面化学元素信息的原位监控的方法以实现单一化学成分截止面与界面的实时且精确的控制，制备出具有单原子层精度的氧化物精准界面结构，在SrTiO3外延薄膜上获得高迁移率的界面2DEG；应用上述技术改进制备出多种高质量层状钙钛矿氧化物薄膜，在基于层状钙钛矿氧化物的极性/非极性异质结的界面中没有发现2DEG，但在SrTiO3衬底中因为氧空位的存在而导电，显示了氧空位对2DEG的重要作用。另外，在层状钙钛矿氧化物与SrTiO3间形成没有非极性不连续的界面，通过设计层状钙钛矿的氧离子的迁移势垒，以调控氧空位及载流子浓度，得到极高迁移率的2DEG，并实现了2DEG载流子的可重复擦写；同时，利用水溶性中间牺牲层的方法实现了钙钛矿氧化物薄膜与衬底的无损剥离，制备出具有单胞层厚度的钙钛矿薄膜，并成功转移至硅基片上，拓展出一个基于钙钛矿氧化物的二维材料研究新体系。通过本项目的开展，揭示了RHEED在复杂氧化物外延薄膜制备的复杂机理，实现了原子精度可控的钙钛矿氧化物薄膜与界面的制备，揭示了氧空位在界面2DEG的重要作用，并在非极性异质界面通过调控氧空位获得高迁移率2DEG并可重复擦写。同时，还拓展出基于钙钛矿氧化物的新颖二维材料新体系。上述成果为钙钛矿氧化物界面与二维材料的原子精度制备及其在新一代电子器件中的应提供了指导与支撑。本项目共发表研究成果包括高水平论文6篇，其中包括Nature 1篇、Nature communications 1篇、Applied Physics Letters 1篇、Physical Review B 2篇，共申请发明专利3项，其中已授权1项。