钙钛矿结构氧化物(111)表面界面新奇量子现象研究

Perovskite oxides, with relatively simple lattice structures, possess remarkable properties. On their surfaces or interfaces, even more exotic quantum phenomena emerge. Especially on the (111) surfaces with hexagonal symmetry, topological nontrivial electronic states may exist. And the (111) single-unit-cell superlattices form the double-perovskite functional artificial materials. To realize their applications in novel electronic devices, a series of fundamental physics problems must be solved. Take the advantage of surface physics on the investigations of the surface/interface microstructures, we will study the surface reconstructions and their adsorption properties. Furthermore we will understand the effect of external chemical potential on the epitaxial growth dynamics and kinetics, aiming to achieve the atomic precision of preparation control in both the perpendicular and in-plane directions. Combining with theoretical analyses, high-resolution characterizations and measurements will be carried out for the clarification of the origin of the electronic properties. The goal is to reveal the control methods and mechanisms of the quantum phenomena on perovskite oxide (111) surfaces and interfaces.

钙钛矿结构的过渡金属氧化物结构相对简单而且性能优异丰富，其表面或界面更表现出现有理论框架难以理解的奇异性质。特别是在具有六角对称性的(111)表面，钙钛矿结构氧化物可能形成拓扑非平庸的二维电子态；该方向单元胞层周期的超晶格更能给出"双钙钛矿结构"的人工功能材料，其中蕴含着丰富多彩的物理问题，更是设计和构筑复杂功能材料、发展新型电子器件的重要的低维体系。本项目将充分发挥表面物理对表面/界面微观结构的基础研究优势，建立对钙钛矿结构氧化物表面重构与吸附特性及其在不同化学浓度中对外延生长热力学与动力学影响的理解，实现对薄膜和异质界面、超晶格等低维体系在垂直方向具有单元胞层、面内方向具有原子尺度微观结构精度的制备控制；进而紧密结合多尺度、多维度的高分辨率表征与测量手段，并且借助理论计算和分析，理解其中优异电子学特性的起源，并阐明对其进行调控的方法和原理。

钙钛矿结构的过渡金属氧化物（ABO3）结构相对简单而性能优异，其表面或界面更可能呈现出丰富的新奇量子现象。特别是在ABO3(111)表面，B位过渡金属离子的六重对称性可能导致拓扑非平庸二维电子态的形成，而在沿[111]方向构筑的超晶格中，更能够获得化学掺杂的人工长程有序。总之，ABO3材料的(111)表面及其构成的异质界面上蕴含着丰富多彩的物理问题，是设计和构筑复杂功能材料、发展新型电子器件的重要的低维体系。本项目聚焦于相关新奇量子现象在原子尺度上的人工设计与调控，开展了深入系统的研究工作，取得的主要成果包括：1）发展了氧化物分子束外延和脉冲激光溅射生长氧化物薄膜的精确控制方法，获得了高质量的SrTiO3(111)薄膜以及LaTiO3/SrTiO3(111)、LaCoO3/SrTiO3(111)等异质界面和超晶格结构，实现了二维电子气、界面磁性等新奇电子态；2）通过[111]方向LaMnO3/SrMnO3超晶格的设计生长，构筑出掺杂阳离子长程有序、浓度可调的模型体系，获得了增强的铁磁金属性，并阐明了薄膜死层的形成原因；3）自主研发了新型高分辨率电子能量损失谱仪，实现了对表面元激发能量和动量的高分辨率二维成像探测，并清晰描述出FeSe/SrTiO3界面超导增强的微观物理机制，发现了受拓扑保护的表面等离激元模式；4）本项目还将研究体系推广到更为丰富的低维量子结构：在SiC表面的石墨烯衬底上生长出Te超薄膜，通过层厚有效控制其带隙在近红外到中红外变化，并利用衬底对单层Te的电子掺杂作用构筑出具有连续晶格的二维同质面内p-n结；通过对表面电子-声子耦合矩阵元的详细解析，澄清了二维体系电荷密度波的不同起源。本项目共发表文章27篇；项目组成员受邀在国际学术会议上做邀请报告8次；培养博士后2名，博士研究生14名，毕业6名；项目负责人入选国家“万人计划”科技创新领军人才，项目组成员1人晋升副研究员。