鈣鈦礦氧化物異質(zhì)結(jié)電磁輸運(yùn)特性的研究.pdf

1、隨著氧化物薄膜沉積技術(shù)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(shù)已能實(shí)現(xiàn)對材料終止層和生長取向的可靠控制。設(shè)計(jì)和制備高質(zhì)量的鈣鈦礦氧化物異質(zhì)結(jié)已成為現(xiàn)實(shí)，這對鈣鈦礦氧化物異質(zhì)結(jié)的研究和應(yīng)用起到了極大的推動(dòng)作用。通過在原子尺度內(nèi)對鈣鈦礦氧化物界面結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和調(diào)控，在氧化物異質(zhì)結(jié)上觀察到許多新奇且具有潛在應(yīng)用價(jià)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(jié)構(gòu)和電磁性質(zhì)的強(qiáng)烈關(guān)聯(lián)效應(yīng)。當(dāng)兩種不同的鈣鈦礦氧化物組成異質(zhì)結(jié)時(shí)，鈣鈦礦氧化物材料本身的對稱性在界面處會(huì)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(huì)導(dǎo)致界面附近材料的極性發(fā)生變化，影響鐵電或壓電性質(zhì);規(guī)范對稱性破缺常常會(huì)導(dǎo)致超導(dǎo)現(xiàn)象的發(fā)生;時(shí)間反演對稱破缺會(huì)導(dǎo)致磁性的產(chǎn)生。正是由于界面結(jié)構(gòu)對其

3、屬性至關(guān)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(shè)計(jì)的自由度，拓寬了電子學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用范疇，甚至可以引領(lǐng)能源和信息技術(shù)領(lǐng)域新材料的發(fā)展。特別是LaAlO3/SrTiO3異質(zhì)結(jié)，受到了國內(nèi)外科研工作者的廣泛關(guān)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(gòu)成的異質(zhì)結(jié)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(zhì)結(jié)就成為近年來材料領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。大量的理論和

4、實(shí)驗(yàn)研究表明在LaAlO3/SrTiO3異質(zhì)結(jié)界面不但表現(xiàn)出二維導(dǎo)電行為，還具有磁性和低溫超導(dǎo)特性。
　　盡管對LaAlO3/SrTiO3異質(zhì)結(jié)已經(jīng)進(jìn)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(dǎo)共存等奇特性質(zhì)的主導(dǎo)機(jī)制等方面尚有分歧。氧化物異質(zhì)結(jié)界面處2DEG的起源一直是本領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，且仍沒能達(dá)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(dǎo)致的固有電子重組被認(rèn)為是界面2DE

5、G形成的主導(dǎo)機(jī)制，極化災(zāi)難理論和電子重構(gòu)理論為此觀點(diǎn)提供了理論依據(jù)。二是缺陷理論:界面結(jié)構(gòu)中存在氧空位;陽離子在界面上相互擴(kuò)散。缺陷理論在很大程度上依賴于實(shí)驗(yàn)條件，如氧氣氛壓強(qiáng)，沉積技術(shù)等。
　　LaAlO3/SrTiO3異質(zhì)結(jié)界面的磁性起源是目前本領(lǐng)域研究的另一熱點(diǎn)問題。有的研究小組認(rèn)為磁性是異質(zhì)結(jié)的本征性質(zhì)，即界面應(yīng)力導(dǎo)致的電子氣在費(fèi)米面附近的自旋劈裂誘導(dǎo)了磁性的產(chǎn)生。另外一種觀點(diǎn)認(rèn)為，異質(zhì)結(jié)的本征磁性非常小(～0.01μB)

6、，實(shí)驗(yàn)上無法觀察到，而界面處TiO2面中的氧空位使得磁性增強(qiáng)到實(shí)驗(yàn)上可以觀察的強(qiáng)度，即認(rèn)為TiO2面的氧空位誘發(fā)了異質(zhì)結(jié)的磁性。因此界面磁性的起源問題尚存在著分歧，仍需要進(jìn)一步研究。
　　近年來，氧化物異質(zhì)結(jié)界面處同時(shí)觀察到低溫超導(dǎo)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(shí)驗(yàn)上提供了直接的證據(jù)。有人認(rèn)為距離相關(guān)的電子關(guān)聯(lián)效應(yīng)(Sizable electronic correlation)是造成兩種相互排

7、斥性質(zhì)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(jìn)一步確定超導(dǎo)和鐵磁性兩種性質(zhì)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(dǎo)特性共存的問題仍沒達(dá)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(jié)構(gòu)和電磁輸運(yùn)特性進(jìn)行了系統(tǒng)地研究，在此基礎(chǔ)上，研究了LaA lO3/SrTiO3(110)異質(zhì)結(jié)的穩(wěn)定性和電磁輸運(yùn)特性，BaTiO3/MgO

8、(110)界面的電磁輸運(yùn)特性和二維應(yīng)力對LaAlO3/SrTiO3界面晶格結(jié)構(gòu)、電輸運(yùn)特性的影響。通過對一系列與LaAlO3/SrTiO3相關(guān)或近似的界面電磁輸運(yùn)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(yīng)及其作用機(jī)理，加深了對異質(zhì)結(jié)界面新奇現(xiàn)象背后物理機(jī)制的理解。主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下:
　　(1)不同SrTiO3表面的電磁輸運(yùn)特性。
　　SrTiO3(001)表面:
　　首先研究了以Ti

9、O2和SrO為終結(jié)層的兩種表面的穩(wěn)定性、幾何結(jié)構(gòu)。分析計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn):兩種表面的表面能非常相近，而以TiO2為終結(jié)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(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)以TiO2和SrO為終結(jié)層的SrTiO3(001)表面都表現(xiàn)出較好的絕緣性。
　　SrTiO3(111)表面:
　　計(jì)算了以Ti和SrO3為終結(jié)層的兩種表面的穩(wěn)定性和表面處幾何結(jié)構(gòu)的畸變。比較兩種表面的表面

10、能可以得出以Ti為終結(jié)層的SrTiO3(111)表面能略低于以SrO3為終結(jié)層的SrTiO3(111)的表面能。在此基礎(chǔ)上計(jì)算了以Ti為終結(jié)面的電子結(jié)構(gòu)，電子能帶結(jié)構(gòu)表明表面具有二維導(dǎo)電特性，即計(jì)算預(yù)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(dǎo)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(jī)制。表面層每個(gè)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(jié)層的SrTiO3(111)表面的磁各向異性能進(jìn)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(jié)層的兩種表面的穩(wěn)定性、表面結(jié)構(gòu)畸變和電磁輸運(yùn)特性。通過計(jì)算表面能發(fā)現(xiàn)以O(shè)2為終結(jié)層的SrTiO3(110)表面能略低于以SrTiO為終結(jié)層的

12、SrTiO3(110)表面能。表面層的Ti-O八面體形變明顯，能帶計(jì)算結(jié)果表明兩種表面都具有金屬導(dǎo)電性，且有磁性。通過對電子結(jié)構(gòu)的分析，發(fā)現(xiàn)以SrTiO為終結(jié)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(fèi)米面附近，Ti3d電子發(fā)生明顯的自旋劈裂，導(dǎo)致表面層的每個(gè)Ti原子具有約0.42μB的磁矩;以O(shè)2為終結(jié)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(gè)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O(shè)2為終結(jié)層的SrTiO3(110)表面層導(dǎo)電性和磁性的主要來源。
　　(2)LaAlO3/SrTiO3(110)異質(zhì)結(jié)的穩(wěn)定性和電磁輸運(yùn)特性。
　　研究了SrTiO3和LaAlO3(110)表面的穩(wěn)定性和表面結(jié)構(gòu)畸變，在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建了LaAlO3/SrTiO3(110)異質(zhì)結(jié)可能的界面結(jié)構(gòu):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(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的結(jié)果相符。在分析LaAlO3/SrTiO3(110)異質(zhì)結(jié)電子結(jié)構(gòu)的過程中發(fā)現(xiàn)異質(zhì)結(jié)界面處存在電子重構(gòu)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(dǎo)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(gè)Ti原子具有0.35 uB的磁矩。
　　(3)BaTiO3/MgO(110)界面的電磁輸運(yùn)特性。
　　BaTiO3/

15、MgO(110)的界面結(jié)構(gòu)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(dǎo)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(dǎo)電性與BaTiO3的厚度有關(guān)，通過調(diào)整BaTiO3層的厚度可以實(shí)現(xiàn)界面絕緣—金屬的轉(zhuǎn)變，BaTiO3的臨界厚度是4層。對p型界面而言，界面出現(xiàn)空穴?？昭▋?yōu)先占據(jù)界面MgO層O的2py軌道形成金屬性界面。同時(shí)界面MgO層O的2p電子在費(fèi)米面附

16、近發(fā)生自旋劈裂，導(dǎo)致界面MgO層每個(gè)O原子都具有約0.22μB的磁矩。
　　(4)二維應(yīng)力對LaAlO3/SrTiO3界面電屬性的影響。
　　通過研究面內(nèi)二維應(yīng)力與離子弛豫的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)面內(nèi)應(yīng)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(zhì)結(jié)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(zhì)結(jié)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