進展｜非對稱氧化物異質結的設計製備及其自旋取向調控

過渡金屬氧化物中不同物理機制共存且相互競爭，如鐵磁雙交換與反鐵磁超交換作用，電荷有序與電子退局域化，電磁相分離與量子物態一致均勻性等。隨著研究的深入，打破不同競爭機制間原有的微妙平衡，在新平衡的建立過程中發現新物態、新效應、新規律已經成為凝聚態物理學研究發展的新趨勢。

以超晶格/多層膜的形式組合不同物理、化學屬性的氧化物於一體，通過層間耦合效應、量子尺寸效應、界面軌道/電荷重整效應的作用，突破舊機制、建立新平衡，是獲得新結構、新物態的重要途徑。沿著這一思路，人們已經做了大量工作，也發現了一系列新奇物理效應。但是，到目前為止複雜氧化物超晶格/多層膜研究絕大部分仍然集中在鈣鈦礦/鈣鈦礦結構這一特殊組合，原因是這類體系中晶體結構類似、對稱性相同，易於獲得高質量的界面結構。事實上，很多複雜氧化物具有與鈣鈦礦相似的結構框架、拓撲關係，但是具有不同的原子與電子構型。一個典型的例子是由氧八面體與氧四面體交替堆垛形成的鈣鐵石結構氧化物。鈣鐵石氧化物具有原子有序的一維氧空位通道，因而是優異的離子導體、氧分離膜和催化劑。特別地，一些鈣鐵石氧化物具有反鐵磁序，從而為界面自旋工程設計提供了新空間。鈣鈦礦與鈣鐵石氧化物具有完全不同的對稱性，二者結合將會出現更為顯著的界面結構重整、電子軌道重構。但是，由於異類結構氧化物異質結構設計與製備的困難，有關工作非常少。

最近中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心磁學實驗室博士研究生張靜等在孫繼榮研究員指導下成功得到了界面結構原子級可控的高質量鈣鈦礦/鈣鐵石型多層膜La

自旋取向的自主設計及調控對基礎研究與應用研究至關重要，一直是人們努力追求的目標。通常通過對材料磁彈性耦合/磁晶各向異性的調控獲得磁各向異性。這是首例利用對稱性匹配調控氧化物異質結自旋取向的工作。這一工作提出了對稱失配氧化物異質結的新概念。注意到鈣鈦礦/鈣鐵石體系獨特的界面對稱破缺，有理由相信這一體系在定向電子/離子輸運、二維電極化、二維磁性等方面也將具有深厚的研究潛力。

這裡，密度泛函理論計算工作由寧波材料技術與工程研究所鍾志誠研究員完成，掃描透射電子顯微鏡工作由中科院物理研究所禹日成研究員、張慶華副研究員、谷林研究員等完成。

這一研究發表在Nature Communications 上。該工作得到了科技部（2016YFA0300701, 2017YFA0206300, 2017YFA0303601）、國家自然科學基金委項目（11520101002, 51590880, 11674378）和中國科學院重點項目的支持。

文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-018-04304-7

圖1. LCO/LSMO/LCO 三層膜的晶格像. (a) LCO(5nm)/LSMO(5nm)/LCO(5nm)橫截面的高角度環形暗場像([110] 帶軸) 。(b) Mn-L_2,3and Co-L_2,3邊的高角度環形暗場像和相應的電子能量損失譜圖。(c) 異質結橫截面的環形明場像 ( [100] 帶軸)。(d) 密度泛函理論計算得到的鈣鐵石結構和LCO/LSMO 的界面結構。 晶格像中圖標長度為1 nm

圖2. LSMO 單層膜和 LSMO/LCO 超晶格的磁行為。 (a-b) 分別為LSMO 單層膜 (6 nm) 和LSMO(4nm)/LCO(3nm) 超晶格的熱磁曲線。IP 和 OP 分別表示磁場沿薄膜面內與垂直膜面。(c) 磁矩隨著磁場的變化關係（T=10 K）。(d) LSMO(4nm)/LCO(3nm) 超晶格 (藍色) 和單層LSMO 薄膜（黑色）的各向異性常數。紅色虛線與符號表示預期的超晶格的各向異性常數。

圖3. 單層膜厚度對LCO/LSMO/LCO 三層膜磁性的影響。(a) LCO(6nm)/LSMO(t_LSMO) /LCO(6nm) 三層膜的熱磁曲線，測量磁場為0.05 T。t

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