巨⼤氧⼋⾯体倾转实现钴⾃旋态调控

作者: 郭尔佳特聘研究员

来源: 中科院物理所

发布日期: 2022-11-06 11:35:01

本文介绍了通过巨⼤氧⼋⾯体倾转实现钴⾃旋态调控的研究成果,详细阐述了异质结界⾯的构成、氧化物界⾯物性的调控方法、以及通过结构近邻效应实现单原胞层厚度的铁磁性LaCoO3超薄膜的制备和特性。研究结果表明,界⾯传递的氧⼋⾯体倾转不仅可作为亚纳⽶尺度精确结构的调控⼿段,还能与功能薄膜材料的电、磁、光等物性直接耦合,为氧化物界⾯物理研究提供了新的范式。

异质结界⾯是由化学组份不相同的材料通过化学键构成的。在具有钙钛矿结构的过渡⾦属氧化物中,共顶点的氧⼋⾯体是通过⾦属离⼦与氧离⼦之间化学键连接构成了整个氧化物界⾯的⻣架,同时也为氧化物界⾯物性的调控提供了得天独厚的条件。过去⼗多年,研究者们已经熟练掌握了通过衬底传递的失配应⼒、薄膜厚度引起的晶格弛豫应⼒以及结构对称性不同的剪切应⼒等调控氧化物界⾯的物性。

科学家已经认识到界⾯处发⽣的电荷转移、轨道重构、⾃旋耦合等物理效应可以改变氧化物界⾯两侧的⺟体材料的本征物理特性。这些⽅法已成为氧化物界⾯物理研究的范式。

随着薄膜制备技术的精进,科学家们已经可以利⽤⾼能电⼦衍射仪或者光学⼿段实时监控功能氧化物薄膜的层状外延⽣⻓,实现单原胞层-单原胞层超晶格的“乐⾼式”原⼦制造。将不同物理特性的氧化物材料相互搭配有助于实现“1+1>2”的性能突破,构建出具有多功能、多场调控的氧化物电⼦学器件。

不掺杂的钴氧化物(LaCoO?)⺟体块材是顺磁绝缘性材料。

研究表明它在受到衬底施加的张应⼒作⽤下会表现出反常的铁磁性特征,其居⾥温度约为80 K。许多年来,LaCoO?的铁磁性起源⼀直存在较⼤争议:⼀⽅⾯,部分研究者归因于氧空位导致的钴离⼦变价引起的⾃旋态转变使LaCoO?产⽣铁磁性;另⼀⽅⾯,也有部分研究表明本征LaCoO?薄膜并不会发⽣钴离⼦变价,⽽微弱的晶格畸变则会导致钴离⼦发⽣由低到⾼⾃旋态的转变,从⽽形成⻓程有序的⾃旋排列。

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的博⼠⽣陈盛如在郭尔佳特聘研究员的指导下,与中国科学院⾼能物理所、合肥国家同步辐射实验室以及美国橡树岭国家实验室散裂中⼦源的合作者们利⽤结构近邻效应引起的巨⼤氧⼋⾯体倾转实现了单原胞层厚度的具有铁磁性的LaCoO3超薄膜,其饱和磁化强度达到了~0.7 μB/Co,相⽐之前的饱和磁化强度⼜增加了40%。

研究⼈员采⽤过渡⾦属氧化物中具有超⼤氧⼋⾯体倾转的DyScO?作为调控层,通过构建单原胞层-单原胞层超晶格,将氧⼋⾯体的倾转传递到功能层LaCoO?中。扫描透射电镜的结果表明,LaCoO?仍然受到了衬底施加的张应⼒,同时Co-O-Co的键⻆从163°(块材)减⼩到约140°(超薄膜)。这⼀反常的实验现象也带来了电⼦态的转变。

通过精确测量X射线吸收谱和线性偏振谱,结果证实了钴离⼦从低⾃旋态转变为较⾼⾃旋态。研究⼈员认为在张应⼒和⼋⾯体扭转的共同作⽤下,晶格场和能带带宽减⼩,使电⼦更愿意占据eg能级的dx2-y2轨道,促进钴离⼦发⽣⾃旋态转变。该唯象的解释也得到了第⼀性原理计算的佐证,通过改变氧⼋⾯体旋转的幅度,⾃旋态之间的能级差可以进⾏⾼效调控。

上述实验结果揭示了界⾯传递的氧⼋⾯体倾转不仅可以作为亚纳⽶尺度(原胞层量级)精确结构的调控⼿段,⽽且还可以与功能薄膜材料的电、磁、光等物性直接耦合,成为⼀种全新的物态调控范式。以上研究也有望突破过渡⾦属氧化物超薄层在微纳磁性功能器件中应⽤的瓶颈,使性能优异的多功能单原胞层功能氧化物薄膜成为备选材料。

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