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您的位置:首頁>儀器儀表資訊>實驗室動態>物理所在近鄰層結構相變調控釕氧化物磁電特性研究中取得進展

物理所在近鄰層結構相變調控釕氧化物磁電特性研究中取得進展

發布時間:2021/5/26 16:13:23編輯:Ma Liang
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  在ABO3鈣鈦礦型的過渡金屬氧化物中,由金屬離子和氧離子構成的氧八面體的畸變與功能材料中電荷、軌道、自旋等電子自由度高度耦合,決定著材料的宏觀物性。隨著現代薄膜制備技術的精進,科學家們已能夠在單原胞層的尺度對薄膜材料的結構進行人工設計和剪裁,提高已具備的物性,甚至可以按需訂制特殊的功能。氧化物薄膜在其界面處通過形成金屬離子與氧離子的化學鍵來獲得異質外延。因此,近鄰層(無論是襯底還是覆蓋層)的晶體對稱性、晶格常數、氧八面體的構型等都將直接影響功能氧化物薄膜中的氧八面體畸變、傾斜和扭轉等結構因子,實現對薄膜的磁、電、光等多物態的高效調控。已有研究通常是通過外延應力、薄膜厚度、化學組分等方法來改變氧八面體的結構因子,但都無可避免地引起薄膜面內和面外晶格常數同時急劇變化,使其物性與結構的關聯變得復雜。
  中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心特聘研究員郭爾佳指導博士研究生林珊選取對結構非常敏感的鐵磁金屬特性的SrRuO3作為研究對象,利用脈沖激光沉積技術制備出若干原胞層厚度的SrRuO3超薄膜,通過共格生長的LaNiO3覆蓋層或者無限層銅氧化物SrCuO2夾層兩種不同方式,在保持面內晶格常數不變的前提下,僅通過近鄰層來改變RuO6八面體的傾斜角和金屬離子-氧離子的鍵長和鍵角,實現了超薄膜磁垂直各向異性、飽和磁化強度、磁電阻和反常霍爾效應等關聯物性的高效調控。
Physical Review Applied上。  科研人員首先利用具有晶體結構和aˉaˉaˉ的氧八面體構型的LaNiO3作為覆蓋層來調控近鄰SrRuO3超薄膜的結構和磁性。區別于SrRuO3單層薄膜,具有覆蓋層的SrRuO3薄膜具有更明顯的磁各向異性。通過極化中子反射技術,科研人員確認了SrRuO3薄膜具有均勻的磁性分布,而不存在不均勻磁性層。X射線衍射倒易空間矢量圖和球差矯正透射電鏡的結構表征均表明,具有覆蓋層的SrRuO3薄膜的晶體對稱性由斜方變成了四方晶系,Ru-O-Ru的鍵角由(174±1.8)°增加到接近180°。氧八面體構型和晶體對稱性的改變促使SrRuO3薄膜具有更強的磁各向異性,為磁存儲介質提供所需的垂直各向異性材料。相關研究成果以Switching Magnetic Anisotropy of SrRuO3 by Capping-Layer-Induced Octahedral Distortion為題,發表在
Nano Letters上。  此外,科研人員利用無限層銅氧化物SrCuO2薄層將僅有6原胞層厚度的SrRuO3超薄膜夾在中間形成三明治結構。近期研究結果表明,SrCuO2隨厚度減小會發生銅氧面從水平(planar-type)到豎直(chain-type)構型的變化,伴隨著其面外晶格常數從3.4 Å 增加到3.9 Å 【Li, Guo* et al. Advanced Materials 33, 2001324 (2021)】。不同的界面截止層、銅氧面構型和面外晶格常數直接影響了界面處釕氧八面體中Ru-O的鍵長和鍵角。當SrCuO2層厚度從3原胞層增加到12原胞層時,Ru-O-Ru的鍵角由接近180°減小到(173±0.3)°,伴隨著SrRuO3超薄膜的面外晶格常數由3.96 Å 減小到3.90 Å 。釕氧八面體結構因子也隨之改變,打破了晶格場能和交換作用能之間的平衡關系,使簡并能級的劈裂程度進一步加劇,直接影響了Ru 4d的自旋態以及Ru-O鍵的軌道雜化作用,進而誘發SrRuO3薄膜的磁、電輸運特性發生巨大改變。相關研究成果以Dimensional Control of Octahedral Tilt in SrRuOvia Infinite-Layered Oxides為題,發表在
  上述兩項研究論文第一作者均為博士生林珊。特聘研究員郭爾佳和研究員金奎娟為論文共同通訊作者。系列工作得到物理所副研究員張慶華、研究員谷林、武漢理工大學教授桑夏晗在高分辨透射電鏡測量方面的支持,以及中科院高能物理研究所研究員王嘉鷗在X射線吸收譜測量方面,物理所北京散裂中子源靶站譜儀工程中心研究員朱濤、美國橡樹嶺國家實驗室博士Amanda Huon和Michael Fitzsimmons在極化中子反射測量方面的支持。
  研究工作得到科技部重點研發計劃青年項目、國家自然科學基金委員會、北京市科技新星計劃、北京市自然科學基金、中科院等的支持。

微信號:ayiwangapp17

(來源:阿儀網 )

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