ABO3/SrTiO3氧化物异质结电磁输运性质的研究

Perovskite-based ferroic oxide heterojunction shows exotic properties, such as two dimensional electron gas (2DEG), magnetic properties, ferroelectric properties, superconduction and spuerflow, which are induced by crystal field, stress field, electron transport, spin orbital coupling et al. The underlying physics mechanism has not clear now, for the strongly correlated mateials, crucial question is yet to be answered by the existed theoretical method. The density function theory and Poisson-Schrodinger equation are emplyed in our project to systemiclly invesgate the exotic phenimenon, induced by the symmetry-breaking patterns (including Inversion symmetry, Time reversal symmetry and Gauge symmetry). We will explore the origin of the 2DEG, study the effect of rotation of oxygen octahedral on the magnetic properties, investigate the stess field distribution near the interface. We want to develop one new theoretical method than can investigate the strongly correlated materials, we hope to offer the effective method to design heterojunction with new structure and properties.

钙钛氧化物矿异质结ABO3/SrTiO3两侧通过晶体场、应力场、电荷转移、自旋轨道耦合等相互作用，诱导出与本体极不相同的新奇量子态，诸如二维电子气（2DEG）、磁性、铁电性和超导等奇异的物理性质。目前，层出不穷的新奇界面量子现象仍需进一步研究；对于诱导奇异物理性质的物理机制缺少系统的研究和认识，且目前存在的理论方法不能很好的解决这种强关联体系的关键问题。本项目拟结合密度泛函（DFT＋U）和Poisson-Schrodinger方程的理论方法对界面造成的对称破缺（包括：空间反演对称性、时间反演对成性和规范对称性的对称破缺）诱导新奇物理现象的基本规律进行系统研究，探索2DEG的起源，界面电荷重构和氧八面体旋转畸变对磁性的影响规律，界面应力场分布诱导铁电性和压电性的物理机制。发展一种能有效处理强关联体系的理论方法，为进一步研究界面层的物理本质以及设计氧化物异质提供理论依据。

以SrTiO3为基底的氧化物异质结界面的电磁输运特性是本项目的主要研究内容，首先对不同SrTiO3表面的电子和几何结构进行了系统的研究系统研究，在此基础上研究了LaAlO3/SrTiO3、LaGaO3/ SrTiO3和MgO/BaTiO3等界面的电磁输运特新，解释实验观察到的奇异物理现象的物理机制，预测新的物理性质。.SrTiO3（111）面电磁输运性质进行了系统研究，发现界面对称破缺导致费米面附近电子排布出现自旋极化劈裂，这是导致界面出现磁性二维电子气的物理机制。利用DFT+U+SOC(spin orbital coupling)的方法对以Ti为终结层的SrTiO3 (111)表面的磁各向异性能进行了研究，发现磁偶极子方向在平行于（111）面是最稳定的。SrTiO3（110）表面对称破缺导致费米面附近的电子重构，Ti 3d电子发生明显的自旋劈裂，结果是表面层的每个Ti原子具有约0.42 μB的磁矩；以O2为终结层的SrTiO3 (110) 表面表现出p型空穴导电，表面层的O 2p电子轨道是空穴的主要来源。 .构建了不同的LaAlO3/SrTiO3、LaGaO3/ SrTiO3和MgO/BaTiO3等界面，对界面的对称破缺、应力等因素对异质结电磁输运性质的影响进行了详细的研究，得到如下结论。界面二维导电的起源是界面对称破缺导致导带底的Ti原子3d电子轨道穿过Fermi能级，部分被填充提供传导电子，电子有限质量表现出较强的各相异性是导致二维导电特性的原因。Ti 3d电子eg或t2g电子态在费米能级附近发生自旋劈裂产生了界面磁性。表面应力诱导Ti–O八面体的畸变，改变了界面的电磁输运特性。实现了绝缘性–二维导电性和非磁性–磁性的转变。. 研究结果丰富了氧化物界面物理的知识，揭示了表面二维电子气产生物理机制，发现对称破缺对氧化物表面电磁输运特性影响的一般规律。