錳氧化物異質(zhì)界面電子結(jié)構(gòu)重構(gòu)的第一性原理研究.pdf

1、自從高溫超導(dǎo)銅氧化物和龐磁電阻錳氧化物被發(fā)現(xiàn)以來(lái),人們對(duì)多種過(guò)渡金屬氧化物塊材的性質(zhì)已經(jīng)有了比較深入的了解,盡管很多現(xiàn)象背后的物理基礎(chǔ)仍然存在激烈的爭(zhēng)議。隨著材料制備技術(shù)的突飛猛進(jìn),人們開始利用過(guò)渡金屬氧化物豐富的物性去設(shè)計(jì)新的氧化物器件。氧化物界面比半導(dǎo)體界面的物理更豐富,晶格、電荷、自旋和(或)軌道的重構(gòu)可能會(huì)導(dǎo)致體材料中所不存在的性質(zhì)。最近,人們對(duì)LaAlO3/SrTiO3界面進(jìn)行了深入研究,發(fā)現(xiàn)了由于電荷轉(zhuǎn)移而造成的二維電子氣,

2、甚至超導(dǎo)電性等性質(zhì)。與鈦基異質(zhì)結(jié)相比,錳基異質(zhì)結(jié)由于引入了磁性,其物理現(xiàn)象應(yīng)該更加豐富,可以期待電荷轉(zhuǎn)移所帶來(lái)的自旋極化二維電子氣。本論文基于第一性原理計(jì)算,系統(tǒng)研究了SrMnO3(001)和(111)表面上的磁性重構(gòu),以及基于SrMnO3的相關(guān)界面上所獲得的高自旋極化的二維電子氣。下面我們分四部分詳細(xì)歸納所得主要結(jié)果:
　　1.在SrMnO3本征的(001)MnO2表面,由于平移周期性破缺,表面和次表面上的Mn離子都出現(xiàn)z2d軌

3、道占據(jù),進(jìn)而造成表面上的自旋反轉(zhuǎn),即表面內(nèi)Mn離子反鐵磁耦合,而表面與次表面間鐵磁耦合。當(dāng)表面氧空位濃度為25％時(shí),表面和次表面上的Mn1離子都只有t2g軌道被占據(jù),所以該位置層間仍是反鐵磁耦合。而表面和次表面上的Mn2離子出現(xiàn)z2d軌道占據(jù),該位置層間為鐵磁耦合。這就造成25%表面氧空位濃度下特有的鐵磁絕緣表面。當(dāng)表面氧空位濃度增加到50%和75%時(shí),表面上Mn離子的x2y2d-軌道開始被占據(jù),次表面仍是t2g和z2d軌道被占據(jù)。此時(shí)

4、,表面也是自旋反轉(zhuǎn)的。當(dāng)表面氧空位濃度達(dá)到100%時(shí),表面上Mn離子的五個(gè)3d軌道都被占據(jù),而次表面上Mn離子,除了t2g和z2d軌道被占據(jù)外,x2y2d-也開始被占據(jù)。此時(shí),Mn離子之間超交換耦合機(jī)制起作用,由此得到G類反鐵磁基態(tài)。外延應(yīng)力對(duì)上述各種情況下的軌道占據(jù)和表面磁重構(gòu)都沒(méi)有影響。
　　2.在nn型LaAlO3/SrMnO3超晶格中,LaAlO3中的極化電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)電子從(LaO)+層轉(zhuǎn)移到SrMnO3中,并占據(jù)Mn的eg軌

5、道,符合雙交換耦合機(jī)制,從而造成nn型超晶格中的半金屬鐵磁性。在pp型超晶格中,LaAlO3中的極化電場(chǎng)使空穴從LaAlO3側(cè)轉(zhuǎn)移到SrMnO3側(cè),并基本平均分布在氧離子上。此時(shí),Mn離子由于沒(méi)有eg軌道占據(jù)而產(chǎn)生類似于體材料的G類反鐵磁序。不過(guò)由于空穴的摻入,此類超晶格是金屬性的。當(dāng)通過(guò)外加磁場(chǎng)使體系變?yōu)殍F磁態(tài)后,體系同時(shí)表現(xiàn)出電荷摻雜和空穴摻雜的特征,這表明該界面上出現(xiàn)了異常的磁輸運(yùn)性質(zhì)。在np型超晶格中,隨著MnO2層和LaAlO

6、3厚度的變化,出現(xiàn)了復(fù)雜的磁有序。且隨著LaAlO3厚度的增加,體系反鐵磁基態(tài)和鐵磁態(tài)之間的能量差逐漸減小,所以我們預(yù)測(cè),在np型超晶格中,增加LaAlO3厚度,就有可能使體系的基態(tài)從反鐵磁變?yōu)殍F磁。同時(shí),這些結(jié)果也表明,如果我們?cè)趎p型超晶格中施加外磁場(chǎng),就有可能實(shí)現(xiàn)龐磁電阻效應(yīng)。進(jìn)一步計(jì)算結(jié)果表明,對(duì)nn型超晶格界面來(lái)說(shuō),氧八面體畸變并不會(huì)改變其半金屬電子態(tài),而應(yīng)力則因?yàn)闀?huì)改變eg軌道的占據(jù),從而影響基態(tài)磁結(jié)構(gòu)。而對(duì)pp型和np型超

7、晶格來(lái)說(shuō),應(yīng)力會(huì)增強(qiáng)或減弱極化電場(chǎng),從而影響到電荷轉(zhuǎn)移,進(jìn)而影響到基態(tài)磁構(gòu)型。不過(guò),氧八面體畸變不影響pp型超晶格的基態(tài)磁結(jié)構(gòu)。而在np型超晶格中,引入氧八面體畸變后有助于增強(qiáng)Mn離子之間的鐵磁耦合。
　　3、在本征的以Mn為終端面的SrMnO3極性(111)表面上,由于極性災(zāi)難,表面上的Mn離子應(yīng)該變?yōu)镸n2+,因此導(dǎo)致了(111)表面上不同的電子相。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),在n型LaAlO3/SrMnO3(111)超晶格中,由于SrM

8、nO3和LaAlO3中同時(shí)存在強(qiáng)度不同的極化電場(chǎng),導(dǎo)致Mn離子上不均勻分布的電子,占據(jù)eg軌道。進(jìn)一步分析表明,這些電子來(lái)自于LaAlO3側(cè)。與該體系的n型(001)超晶格類似,Mn離子之間通過(guò)雙交換耦合,形成半金屬鐵磁性。增加SrMnO3層數(shù),每個(gè)Mn離子的磁矩之和基本保持不變,說(shuō)明轉(zhuǎn)移過(guò)來(lái)的電子數(shù)是固定的常數(shù)。由于Mn的eg軌道被占據(jù),該系統(tǒng)中的MnO6八面體出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)和傾斜。而對(duì)p型超晶格而言,SrMnO3和LaAlO3中同時(shí)存在的