铁电调控锰氧化物强关联自由度的行为及机制研究

Perovskite manganite with excellent magnetic/electric properties, rich magnetoresistance effects and superior thermostability serves as an important candidate for the design of next generation memory. The lattice, orbital, charge, and spin degrees of freedom are at the core of strongly correlated manganite, constraining its development in the terrain of data storage and processing. How to manipulate the degrees of freedom of manganite in an effective way is a key issue in its practical application. This project focus on the classic system (La,Sr)MnO3, and the ferroelectric manipulation is selected as the electric-control method. Through the controllable preparation and accurate design of the films, heterostructures and device structures，the ferroelectric-manipulation behaviors of the lattice, orbital, charge, and spin degrees of freedom will be systematic studied in the manganite. Meanwhile, we will expound the connections between the strain, polarization charge and magnetoelectric coupling induced by the ferroelectric polarization and the lattice, orbital, charge, and spin degrees of freedom in manganite. The mechanisms responsible for the control of the magnetic and electric properties of the manganite by lattice distortion, orbital occupation, charge transfer (or carrier density) and spin state will be clarified. Our investigation would provide reliable experimental evidence and theoretical basis for application of the manganite in the field of microelectronics.

钙钛矿构型的锰氧化物具有优异的磁电性能、丰富的磁阻效应及高热稳定性，是极具潜力的可应用于下一代存储器件的功能材料。在锰氧化物中，晶格、轨道、电荷和自旋四种强关联自由度直接影响着其磁电性能，是制约其在信息存储与处理领域进一步发展的重要因素。如何选择有效手段实现对强关联自由度的稳定操控，并认清其中的机制，是推进锰氧化物实际应用的关键。因此，本项目拟以典型的锰氧化物(La,Sr)MnO3为主要研究对象，选用铁电调控的电控手段，通过对薄膜、异质结及器件结构的可控制备和精准设计系统地研究铁电对锰氧化物晶格、轨道、电荷和自旋自由度的调控行为，阐明铁电极化引起的应变、极化电荷及磁电耦合作用与锰氧化物晶格、轨道、电荷及自旋行为之间的联系，揭示晶格畸变、轨道占据、电荷转移（或载流子浓度）及自旋状态影响锰氧化物磁电性能的作用机制，为推进锰氧化物在信息领域的应用提供实验依据和理论指导。

本项目以铁电材料钛酸钡、磁性材料锰氧化物及其他钙钛矿氧化物为主要研究对象，一方面，针对电子信息存储领域的电控磁热点问题，开展了铁电调控钙钛矿磁性氧化物薄膜材料强关联自由度的研究，获得了一种室温具有良好磁电耦合作用的多铁薄膜(La,Sr)MnO3-BaTiO3，实现了铁电对SrCoO2.5磁性材料晶体结构、电子结构和磁电性能的调控，并提出了“氧阀”的新概念，而且在SrCoO2.5 薄膜中实现电场控制的三态磁相变也将进一步刺激低功耗多态存储器和传感器的发展。另一方面，随着信息技术的飞速发展，表面贴装技术的应用领域逐渐向极端温度环境下服役的电子产品中拓展，对表面贴装元件——多层陶瓷电容器（MLCC）性能的温度稳定性提出了更高的要求，针对这一问题，项目开展了锰氧化物及其他钙钛矿氧化物对钛酸钡介电性能的调控工作，获得了一种巨介电常数材料和一种满足X9R型MLCC应用需求的介质材料，为推动钛酸钡在电子信息领域的应用提供了实验依据和理论指导。