《過渡金屬氧化物異質結界面的原子結構和電子結構研究》是依託湖南大學，由馬超擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：過渡金屬氧化物異質結界面的原子結構和電子結構研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：馬超
- 依託單位：湖南大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
由不同過渡金屬氧化物構成的異質結中，界面處特殊的結構特徵和磁電相互作用會誘導出許多奇特的物理現象，甚至擁有許多傳統半導體異質結所不具備的性質和功能，因而在電子學器件方面具有巨大的套用前景，也是凝聚態物理基礎研究的一個重要方向。決定這些特殊物理性能的關鍵因素是異質結的界面效應，即界面處幾個原子層內的原子結構重構和電子結構重構。本項目將利用高分辨透射電子顯微學的多種實驗技術，通過在原子尺度上詳細研究幾種過渡金屬氧化物異質結的界面晶體結構和電子結構特徵，如晶格失配導致的應力場分布、氧八面體畸變、電荷轉移、氧空位和電子軌道重構等，分析這些界面特徵出現的原因以及他們對薄膜晶體結構和電子結構的影響。此外，結合圖像和能譜模擬以及第一原理電子結構計算，深入理解界面結構與磁性和鐵電性等物理性質的關聯，從而對由界面效應導致的奇特物理現象給出合理解釋，並探索合成性能更好的功能氧化物異質結的合理方案。
結題摘要
由不同過渡金屬氧化物構成的異質結中，其特殊的界面效應會誘導出許多奇特的物理現象，甚至擁有許多傳統半導體異質結所不具備的性質和功能，因而在電子學器件方面具有巨大的套用前景，也是凝聚態物理基礎研究的一個重要方向。這種界面效應往往決定於界面處幾個原子層內的原子結構重構和電子結構重構，因此需要高空間解析度的實驗手段來表征。本項目主要利用球差透射電鏡的多種實驗技術，如高角環型暗場像(HAADF)、環型明場像(ABF)和電子能量損失譜(EELS)，在原子尺度上詳細研究了幾種過渡金屬氧化物異質結和核-殼結構的界面應力場分布、氧八面體畸變、電荷轉移、氧空位和電子軌道重構等。（1）實驗表明La2/3Ca1/3MnO3/CaRu1-xTixO3超晶格中薄膜層厚度的變化改變了氧八面體旋轉大小，而Ti元素的摻雜有助於不同層之間的電荷轉移，這兩者的結合不僅使超薄的La2/3Ca1/3MnO3層仍然具有鐵磁性，而且相鄰兩層之間可以表現出層間反鐵磁耦合。類似的現象也出現在了La2/3Sr1/3MnO3/SrRu1-xTixO3和La0.7Sr0.3MnO3/CaRu0.5Ti0.5O3超晶格中。（2）揭示了在不同取向的NdGaO3襯底上生長的La2/3Ca1/3MnO3薄膜具有不同的外延應力，薄膜中的電荷有序反鐵磁絕緣相源自於b軸的單軸拉應力。襯底的取向還可以通過氧八面體旋轉耦合調控薄膜的晶格畸變，從而使不同厚度的薄膜具有不同的物理性質。（3）揭示了SrTiO3襯底上的LaCoO3薄膜的鐵磁性主要來源於外延應力，而非氧空位。而在LaCoO3納米顆粒表面發生的低自旋態往高自旋態的轉變來源於表面氧八面體旋轉的抑制。（4）將研究中發展的實驗方法進一步套用到其他具有界面效應的體系中，證實了Ca3Mn2O7多鐵相材料中共生相Ca4Mn3O10通過界面氧八面體耦合可以使母相在室溫下轉變為鐵電相，並揭示了核-殼結構ZnO納米線的界面存在無規應力場。對這些氧化物異質結界面和表面的研究不僅在微觀尺度上解釋了其特殊物理現象的根源，也有助於理解過渡金屬氧化物中電荷、自旋、軌道和晶格等自由度之間的相互作用。此外，在項目研究中發展出來的實驗方法也可以套用到其他具有異質結或界面結構的材料中，尤其是半導體和微電子領域的器件研究。
