中国科学院物理研究所
北京凝聚态物理国家研究中心
M03组供稿
第33期
2018年06月21日
非对称氧化物异质结的设计制备及其自旋取向调控
过渡金属氧化物中不同物理机制共存且相互竞争，如铁磁双交换与反铁磁超交换作用，电荷有序与电子退局域化，电磁相分离与量子物态一致均匀性等。随着研究的深入，打破不同竞争机制间原有的微妙平衡，在新平衡的建立过程中发现新物态、新效应、新规律已经成为凝聚态物理学研究发展的新趋势。
以超晶格/多层膜的形式组合不同物理、化学属性的氧化物于一体，通过层间耦合效应、量子尺寸效应、界面轨道/电荷重整效应的作用，突破旧机制、建立新平衡，是获得新结构、新物态的重要途径。沿着这一思路，人们已经做了大量工作，也发现了一系列新奇物理效应。但是，到目前为止复杂氧化物超晶格/多层膜研究绝大部分仍然集中在钙钛矿/钙钛矿结构这一特殊组合，原因是这类体系中晶体结构类似、对称性相同，易于获得高质量的界面结构。事实上，很多复杂氧化物具有与钙钛矿相似的结构框架、拓扑关系，但是具有不同的原子与电子构型。一个典型的例子是由氧八面体与氧四面体交替堆垛形成的钙铁石结构氧化物。钙铁石氧化物具有原子有序的一维氧空位通道，因而是优异的离子导体、氧分离膜和催化剂。特别地，一些钙铁石氧化物具有反铁磁序，从而为界面自旋工程设计提供了新空间。钙钛矿与钙铁石氧化物具有完全不同的对称性，二者结合将会出现更为显著的界面结构重整、电子轨道重构。但是，由于异类结构氧化物异质结构设计与制备的困难，有关工作非常少。
最近中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心磁学实验室博士研究生张静等在孙继荣研究员指导下成功得到了界面结构原子级可控的高质量钙钛矿/钙铁石型多层膜La2/3Sr1/3MnO3/LaCoO2.5 (LSMO/LCO)，并发现了界面对称性失配导致的奇异物理效应。作为界面对称性工程设计的一个特例，LSMO/LCO 多层膜体系表现出强磁各向异性，其中LSMO薄层的自旋取向从面内转到垂直于薄膜平面的方向上，完全不同于张应变钙钛矿/钙钛矿异质结，后者只能在薄膜面内调节自旋取向。研究还发现，最大磁各向异性能高达 ~1.3 J/cm3，比常规的磁弹耦合和磁晶各向异性能高一个量级。透射电子显微镜分析与密度泛函理论计算结果表明，氧八面体/四面体界面对称性失配引起了协作型界面结构重整与电子轨道重构，从而导致了自旋取向反常。
自旋取向的自主设计及调控对基础研究与应用研究至关重要，一直是人们努力追求的目标。通常通过对材料磁弹性耦合/磁晶各向异性的调控获得磁各向异性。这是首例利用对称性匹配调控氧化物异质结自旋取向的工作。这一工作提出了对称失配氧化物异质结的新概念。注意到钙钛矿/钙铁石体系独特的界面对称破缺，有理由相信这一体系在定向电子/离子输运、二维电极化、二维磁性等方面也将具有深厚的研究潜力。
这里，密度泛函理论计算工作由宁波材料技术与工程研究所钟志诚研究员完成，扫描透射电子显微镜工作由中科院物理研究所禹日成研究员、张庆华副研究员、谷林研究员等完成。
这一研究发表在Nature Communications 上。该工作得到了科技部（2016YFA0300701, 2017YFA0206300, 2017YFA0303601）、国家自然科学基金委项目（11520101002, 51590880, 11674378）和中国科学院重点项目的支持。
文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-018-04304-7
以超晶格/多层膜的形式组合不同物理、化学属性的氧化物于一体，通过层间耦合效应、量子尺寸效应、界面轨道/电荷重整效应的作用，突破旧机制、建立新平衡，是获得新结构、新物态的重要途径。沿着这一思路，人们已经做了大量工作，也发现了一系列新奇物理效应。但是，到目前为止复杂氧化物超晶格/多层膜研究绝大部分仍然集中在钙钛矿/钙钛矿结构这一特殊组合，原因是这类体系中晶体结构类似、对称性相同，易于获得高质量的界面结构。事实上，很多复杂氧化物具有与钙钛矿相似的结构框架、拓扑关系，但是具有不同的原子与电子构型。一个典型的例子是由氧八面体与氧四面体交替堆垛形成的钙铁石结构氧化物。钙铁石氧化物具有原子有序的一维氧空位通道，因而是优异的离子导体、氧分离膜和催化剂。特别地，一些钙铁石氧化物具有反铁磁序，从而为界面自旋工程设计提供了新空间。钙钛矿与钙铁石氧化物具有完全不同的对称性，二者结合将会出现更为显著的界面结构重整、电子轨道重构。但是，由于异类结构氧化物异质结构设计与制备的困难，有关工作非常少。
最近中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心磁学实验室博士研究生张静等在孙继荣研究员指导下成功得到了界面结构原子级可控的高质量钙钛矿/钙铁石型多层膜La2/3Sr1/3MnO3/LaCoO2.5 (LSMO/LCO)，并发现了界面对称性失配导致的奇异物理效应。作为界面对称性工程设计的一个特例，LSMO/LCO 多层膜体系表现出强磁各向异性，其中LSMO薄层的自旋取向从面内转到垂直于薄膜平面的方向上，完全不同于张应变钙钛矿/钙钛矿异质结，后者只能在薄膜面内调节自旋取向。研究还发现，最大磁各向异性能高达 ~1.3 J/cm3，比常规的磁弹耦合和磁晶各向异性能高一个量级。透射电子显微镜分析与密度泛函理论计算结果表明，氧八面体/四面体界面对称性失配引起了协作型界面结构重整与电子轨道重构，从而导致了自旋取向反常。
自旋取向的自主设计及调控对基础研究与应用研究至关重要，一直是人们努力追求的目标。通常通过对材料磁弹性耦合/磁晶各向异性的调控获得磁各向异性。这是首例利用对称性匹配调控氧化物异质结自旋取向的工作。这一工作提出了对称失配氧化物异质结的新概念。注意到钙钛矿/钙铁石体系独特的界面对称破缺，有理由相信这一体系在定向电子/离子输运、二维电极化、二维磁性等方面也将具有深厚的研究潜力。
这里，密度泛函理论计算工作由宁波材料技术与工程研究所钟志诚研究员完成，扫描透射电子显微镜工作由中科院物理研究所禹日成研究员、张庆华副研究员、谷林研究员等完成。
这一研究发表在Nature Communications 上。该工作得到了科技部（2016YFA0300701, 2017YFA0206300, 2017YFA0303601）、国家自然科学基金委项目（11520101002, 51590880, 11674378）和中国科学院重点项目的支持。
文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-018-04304-7
 |
| 图1. LCO/LSMO/LCO 三层膜的晶格像. (a) LCO(5nm)/LSMO(5nm)/LCO(5nm)横截面的高角度环形暗场像([110] 带轴) 。(b) Mn-L2,3and Co-L2,3边的高角度环形暗场像和相应的电子能量损失谱图。(c) 异质结横截面的环形明场像 ( [100] 带轴)。(d) 密度泛函理论计算得到的钙铁石结构和LCO/LSMO 的界面结构。 晶格像中图标长度为1 nm。 |
 |
| 图2. LSMO 单层膜和 LSMO/LCO 超晶格的磁行为。 (a-b) 分别为LSMO 单层膜 (6 nm) 和LSMO(4nm)/LCO(3nm) 超晶格的热磁曲线。IP 和 OP 分别表示磁场沿薄膜面内与垂直膜面。(c) 磁矩随着磁场的变化关系（T=10 K）。(d) LSMO(4nm)/LCO(3nm) 超晶格 (蓝色) 和单层LSMO 薄膜（黑色）的各向异性常数。红色虚线与符号表示预期的超晶格的各向异性常数。 |
 |
| 图3. 单层膜厚度对LCO/LSMO/LCO 三层膜磁性的影响。(a) LCO(6nm)/LSMO(tLSMO) /LCO(6nm) 三层膜的热磁曲线，测量磁场为0.05 T。tLSMO为LSMO单层厚度，在3 nm 和 15 nm之间变化。 (b) 磁各向异性能随着LSMO层厚度的变化。线性的Ktot-1/tLSMO关系说明界面效应起主要作用。 (c) LCO(tLCO)/LSMO(6nm)/LCO(tLCO) 三层膜的热磁曲线，测量磁场为0.05 T。tLCO为LCO单层厚度，在0.8 nm 和 10 nm之间变化。 (d) 磁各向异性能随着LCO薄膜厚度的变化。 |