鈣鈦礦氧化物異質結電磁輸運特性的研究.pdf

1、隨著氧化物薄膜沉積技術及測量手段的提高，采用脈沖激光沉積(pulsedlaserde position)或氧化物分子束外延(oxide molecular beam epitaxy)技術已能實現(xiàn)對材料終止層和生長取向的可靠控制。設計和制備高質量的鈣鈦礦氧化物異質結已成為現(xiàn)實，這對鈣鈦礦氧化物異質結的研究和應用起到了極大的推動作用。通過在原子尺度內(nèi)對鈣鈦礦氧化物界面結構進行設計和調(diào)控，在氧化物異質結上觀察到許多新奇且具有潛在應用價值的物理

2、現(xiàn)象。這是由于鈣鈦礦氧化物中電荷、自旋、軌道、晶格等自由度之間存在相互耦合和競爭，表現(xiàn)出結構和電磁性質的強烈關聯(lián)效應。當兩種不同的鈣鈦礦氧化物組成異質結時，鈣鈦礦氧化物材料本身的對稱性在界面處會遭到破壞，造成對稱破缺，這種對稱破缺與界面處觀察到的新奇物理現(xiàn)象存在著密切的聯(lián)系:空間對稱破缺通常會導致界面附近材料的極性發(fā)生變化，影響鐵電或壓電性質;規(guī)范對稱性破缺常常會導致超導現(xiàn)象的發(fā)生;時間反演對稱破缺會導致磁性的產(chǎn)生。正是由于界面結構對其

3、屬性至關重要的影響，相比塊體材料，二維界面增加了人們對微電子器件設計的自由度，拓寬了電子學領域的應用范疇，甚至可以引領能源和信息技術領域新材料的發(fā)展。特別是LaAlO3/SrTiO3異質結，受到了國內(nèi)外科研工作者的廣泛關注。自從2004年Ohtomo與合作者在塊狀材料為非磁性的絕緣體LaAlO3與SrTiO3所構成的異質結的界面處觀察到具有高遷移率的二維電子氣(2DEG)之后，氧化物異質結就成為近年來材料領域研究的熱點之一。大量的理論和

4、實驗研究表明在LaAlO3/SrTiO3異質結界面不但表現(xiàn)出二維導電行為，還具有磁性和低溫超導特性。
　　盡管對LaAlO3/SrTiO3異質結已經(jīng)進行了大量的研究，但是在界面2DEG的起源、界面磁性的來源及磁性與超導共存等奇特性質的主導機制等方面尚有分歧。氧化物異質結界面處2DEG的起源一直是本領域的研究熱點，且仍沒能達成共識。界面二維電子氣產(chǎn)生原因大致分為兩類，一是本征原因:界面的極化不連續(xù)導致的固有電子重組被認為是界面2DE

5、G形成的主導機制，極化災難理論和電子重構理論為此觀點提供了理論依據(jù)。二是缺陷理論:界面結構中存在氧空位;陽離子在界面上相互擴散。缺陷理論在很大程度上依賴于實驗條件，如氧氣氛壓強，沉積技術等。
　　LaAlO3/SrTiO3異質結界面的磁性起源是目前本領域研究的另一熱點問題。有的研究小組認為磁性是異質結的本征性質，即界面應力導致的電子氣在費米面附近的自旋劈裂誘導了磁性的產(chǎn)生。另外一種觀點認為，異質結的本征磁性非常小(～0.01μB)

6、，實驗上無法觀察到，而界面處TiO2面中的氧空位使得磁性增強到實驗上可以觀察的強度，即認為TiO2面的氧空位誘發(fā)了異質結的磁性。因此界面磁性的起源問題尚存在著分歧，仍需要進一步研究。
　　近年來，氧化物異質結界面處同時觀察到低溫超導和鐵磁特性，這對傳統(tǒng)理論提出了挑戰(zhàn)。有研究小組為這兩種特性共同存在從實驗上提供了直接的證據(jù)。有人認為距離相關的電子關聯(lián)效應(Sizable electronic correlation)是造成兩種相互排

7、斥性質共存的原因，但目前對于這一新奇的物理現(xiàn)象仍沒有定量的解釋，且需要進一步確定超導和鐵磁性兩種性質是共同存在材料的同一區(qū)域還是相分離現(xiàn)象。所以對鐵磁和超導特性共存的問題仍沒達到共識，需要繼續(xù)研究。
　　本論文采用基于密度泛函理論(DFT)的第一性原理的方法，首先對不同SrTiO3表面的幾何結構和電磁輸運特性進行了系統(tǒng)地研究，在此基礎上，研究了LaA lO3/SrTiO3(110)異質結的穩(wěn)定性和電磁輸運特性，BaTiO3/MgO

8、(110)界面的電磁輸運特性和二維應力對LaAlO3/SrTiO3界面晶格結構、電輸運特性的影響。通過對一系列與LaAlO3/SrTiO3相關或近似的界面電磁輸運特性的探討，系統(tǒng)研究了界面2DEG的起源、界面磁性的來源，揭示了界面效應及其作用機理，加深了對異質結界面新奇現(xiàn)象背后物理機制的理解。主要研究內(nèi)容和結論如下:
　　(1)不同SrTiO3表面的電磁輸運特性。
　　SrTiO3(001)表面:
　　首先研究了以Ti

9、O2和SrO為終結層的兩種表面的穩(wěn)定性、幾何結構。分析計算結果發(fā)現(xiàn):兩種表面的表面能非常相近，而以TiO2為終結層的SrTiO3(001)表面更穩(wěn)定;在兩種表面處都出現(xiàn)不同程度的褶皺;分析兩種表面的薄膜的電子能帶結構，發(fā)現(xiàn)以TiO2和SrO為終結層的SrTiO3(001)表面都表現(xiàn)出較好的絕緣性。
　　SrTiO3(111)表面:
　　計算了以Ti和SrO3為終結層的兩種表面的穩(wěn)定性和表面處幾何結構的畸變。比較兩種表面的表面

10、能可以得出以Ti為終結層的SrTiO3(111)表面能略低于以SrO3為終結層的SrTiO3(111)的表面能。在此基礎上計算了以Ti為終結面的電子結構，電子能帶結構表明表面具有二維導電特性，即計算預測出表面存在具有高遷移率的二維電子氣。表面層的Ti t2g(dxy/dxz/dyz)電子軌道部分占據(jù)是磁性2DEG的主要來源，表面處的對稱破缺所導致的Ti t2g電子Fermi面附近的自旋劈裂是產(chǎn)生表面磁性的內(nèi)在機制。表面層每個Ti原子具有

11、約0.55μB的磁矩;最后我們采用DFT+SOC(spin orbital coupling)的方法對以Ti為終結層的SrTiO3(111)表面的磁各向異性能進行了研究，發(fā)現(xiàn)磁偶極子存在于垂直于[111]方向的表面內(nèi)。
　　SrTiO3(110)表面:
　　研究了以SrTiO和O2為終結層的兩種表面的穩(wěn)定性、表面結構畸變和電磁輸運特性。通過計算表面能發(fā)現(xiàn)以O2為終結層的SrTiO3(110)表面能略低于以SrTiO為終結層的

12、SrTiO3(110)表面能。表面層的Ti-O八面體形變明顯，能帶計算結果表明兩種表面都具有金屬導電性，且有磁性。通過對電子結構的分析，發(fā)現(xiàn)以SrTiO為終結層的SrTiO3(110)表面層中Ti3d電子局域于表面層，且是表面2DEG的主要來源。在費米面附近，Ti3d電子發(fā)生明顯的自旋劈裂，導致表面層的每個Ti原子具有約0.42μB的磁矩;以O2為終結層的SrTiO3(110)的表面存在空穴，表面層的O2p軌道是空穴的主要來源;表面層的

13、每個氧原子的磁矩約為0.32μB，且原子的磁矩隨著與表面距離的增大而漸漸減小。因此，表面層的O2p軌道是以O2為終結層的SrTiO3(110)表面層導電性和磁性的主要來源。
　　(2)LaAlO3/SrTiO3(110)異質結的穩(wěn)定性和電磁輸運特性。
　　研究了SrTiO3和LaAlO3(110)表面的穩(wěn)定性和表面結構畸變，在此基礎上，構建了LaAlO3/SrTiO3(110)異質結可能的界面結構:突變型界面和扣狀界面，通過

14、比較其界面能，發(fā)現(xiàn)扣狀界面更穩(wěn)定，這也與實驗發(fā)現(xiàn)的結果相符。在分析LaAlO3/SrTiO3(110)異質結電子結構的過程中發(fā)現(xiàn)異質結界面處存在電子重構的現(xiàn)象，并在界面出現(xiàn)磁性2DEG。界面Ti-O八面體的形變導致Ti原子的3d軌道自旋劈裂，其中能量較低的dxz/dyz電子是界面磁性2DEG的來源，且使界面每個Ti原子具有0.35 uB的磁矩。
　　(3)BaTiO3/MgO(110)界面的電磁輸運特性。
　　BaTiO3/

15、MgO(110)的界面結構存在兩種可能性:n型界面(BaTiO/MgO)和p型界面(O2/MgO)。這兩種界面都具有二維導電性。對n型界面而言，界面層中Ti的3d電子是界面電磁屬性的來源。另外，界面導電性與BaTiO3的厚度有關，通過調(diào)整BaTiO3層的厚度可以實現(xiàn)界面絕緣—金屬的轉變，BaTiO3的臨界厚度是4層。對p型界面而言，界面出現(xiàn)空穴。空穴優(yōu)先占據(jù)界面MgO層O的2py軌道形成金屬性界面。同時界面MgO層O的2p電子在費米面附

16、近發(fā)生自旋劈裂，導致界面MgO層每個O原子都具有約0.22μB的磁矩。
　　(4)二維應力對LaAlO3/SrTiO3界面電屬性的影響。
　　通過研究面內(nèi)二維應力與離子弛豫的關系，發(fā)現(xiàn)面內(nèi)應力對各層Ti-O和La-O離子的相對位移影響顯著，且具有規(guī)律性:異質結中各層Ti-O相對位移的絕對值隨著面內(nèi)晶格常數(shù)的增加而減小;異質結中各層La-O相對位移的絕對值隨著面內(nèi)晶格常數(shù)的增加而增加;界面Ti-O八面體的形變隨著面內(nèi)晶格常數(shù)的