L03研究小组:低维氧化物体系的设计、激光法制备及其物理研究

主要研究工作及进展

※ 铁电金属性材料的理论与实验研究
课题组首次从理论方面预言了电子掺杂的PbTiO3材料中极化的保持,用密度泛函理论(DFT)证明了基于孤对电子铁电材料PbTi0.875Nb0.125O3的极化金属性质,并发现了掺杂载流子的各向异性屏蔽作用;研究了非孤对电子铁电材料BaTiO3中压应力对极化金属相的影响,发现压应力有助于提高临界掺杂浓度、极化结构存在的临界温度,对于获得实验上易得的极化金属材料有重要指导意义。基于DFT的第一性原理计算,以HoNiO3为研究对象,理论模拟计算了电荷有序态下的Jahn-Teller效应同电荷有序稳定性、晶体结构、轨道有序等相互关系。[PRB 96, 035140 (2017);PRB 97,115103 (2018);PRB 97, 195132 (2018)] 此外,在实验中成功对传统铁电性材料PbTiO3实现了电子掺杂,对其铁电性和金属导电性进行了人工设计和调控,从而为“铁电金属”材料给出了出色的候选者;首次在这种极化金属中观察到了磁电阻效应和氧空位诱导的铁磁性,证明了铁电金属中磁性的存在,实现了铁磁、铁电和金属性在同一种材料中共存;同时证明了氧空位对于钙钛矿氧化物结构和物理性质方面的重要影响。[Nat.Commun. 8, 104 (2017);PRB 96, 165206 (2017);PRB 96, 115105 (2017);ACS Appl. Electr. Mat. 1(7),1225 (2019);Adv. Electron. Mater. 3, 1700321(2017)]

※ 光与氧化物材料相互作用
首次用纯光学手段(二次谐波产生)证明了在BaTiO3铁电相变时位移模式和有序-无序模式的共存,明确了光学二次谐波偏振各向异性图随样品方位角/极化方向的线性关系;通过自主搭建的超快磁光测量系统,观察到La0.7Sr0.3MnO3薄膜中的超快退磁以及磁矩自旋一致进动信号;研究了磁场、温度、光功率和偏振方向等条件对自旋进动行为的影响,研究了光与带有多铁、石墨烯覆盖层薄膜和褶皱微晶的相互作用。此外,我们还研究了以La0.67Sr0.33MnO3 作为电极的有机材料的自旋-轨道耦合相互作用。[Phys. Rev. Lett. 120, 213901 (2018) ,Adv. Mater. 29, 1702494 (2017),Nanoscale, 9, 15576–15581 (2017), SMALL. 14, 1704429 (2018) ,Sci. Rep. 7, 9051 (2017), Sci. China. Phys. Mech. 60, 047511 (2017),Appl. Phys. Lett. 112, 102904 (2018),Adv. Electr. Mat. 1900318 (2019)]

※ BiFeO3薄膜电畴与结构调控及物性研究
通过改变BFO薄膜中元素非平衡配比,获得电畴极化完全向上和向下的超薄膜,实现对薄膜原始极化、结构和带隙等参数的调控。通过力学方法,实现超薄膜中极化反转,揭示了挠曲电效应与压电效应对薄膜电畴反转的影响和贡献,并在BFO超薄膜铁电隧道结中,获得了室温下显著的隧穿电致电阻特性。另外,研究了界面和多层结构等因素对BFO薄膜生长和物性的影响,并在单晶硅上直接生长了BFO薄膜。[ACS Appl. Mater. Interfaces 8, 34590(2018); ACS Appl. Mater. Interfaces, 9, 5600(2017); Sci China-Phys Mech Astron, 60, 067711(2017)]

※ 氧化物薄膜人工突触晶体管
通过电解质调控WO3外延薄膜界面H+交换制备了高性能突触晶体管,对基于电解质栅极的低能耗人工突触晶体管的设计和性能改善具有重要的参考意义。我们首次利用电解质调控拓扑相变材料SrFeOx界面O2-交换,实现其在钙铁石和钙钛矿相之间的可逆转换,进而成功设计出综合性能优异的突触晶体管,为高性能神经形态器件的设计提供了新的思路。此外,基于拓扑转换材料的突触晶体管实现了双态乃至多态可循环非易失性存储功能、脉冲时序可塑性、以及非易失性的逻辑功能,为实现神经网络计算功能提供了良好的硬件基础。(Adv. Mater. 30, 1801548, 2018; Adv. Mater. 31, 1900379, 2019; Adv. Funct. Mater. 29, 1902702, 2019)

※ 应力场调控钴酸镧薄膜的磁性及机制
利用原位应力场调控钴酸镧薄膜的磁性,揭示了畸变导致钴自旋态转变的物理机制是其铁磁性的起源。通过调控氧化物界面晶格对称性和施加静水压等手段,原位改变应力场使钴氧八面体发生结构畸变,打破晶格场和交换作用能的平衡,从而诱发钴离子发生自旋态转变;再通过原位极化中子反射技术精准地描述了LaCoO3薄膜磁性和原子密度的空间分布随晶格畸变的变化关系 [PRB 961, 165206 (2017);PRL 122, 187202 (2019)]。利用单晶衬底的表面形貌和结构对称性,打破氧化物界面原本具有的四重对称性,诱导出一维铁弹畴结构,使钴离子的自旋态伴随结构发生有序分布,精细表征了人工调制的面内磁各向异性[PRB 96, 035140 (2017);Science Adv. 5, eaav5050 (2019)]。这一系列结果揭示了界面结构畸变是LaCoO3薄膜铁磁性的根源。美国橡树岭国家实验室和田纳西大学在其主页上相继以“The Beauty of an Imperfect Fit”和“Neutrons—Mastering Magnetism”为题进行了亮点报道。

研究组概况:
(承担各类项目及经费到位情况、人才引进和培养学生情况等)
国家基金委创新研究群体项目 光与若干重要物质相互作用中的前沿问题研究 11721404 (2018年-2023年), 1200.00万元
国家重大科学研究计划项目 过渡金属氧化物异质结在多场调控下的新奇物性及器件研究 2014CB921000 (2014年-2018年), 2200.00万元
国家重点研发计划课题 界面电子态的多场调控及其器件功能设计 2017YFA0303604 (2017年-2022年), 679.00万元
中科院战略性先导B专项课题 多场调控下的新物态与功能器件 XDB07030200 (2014年-2018年), 2476.55万元
中科院前沿重点计划项目 低维氧化物的界面设计及光磁电功能调控 QYZDJ-SSW-SLH020 (2016年-2020年), 300.00万元
基金委面上项目2项、科技部重点研发计划子课题1项、中科院青年人才项目1项。
三年中共培养毕业博士生9名、硕士生2名;目前在站博士后4名、在读博士研究生10名。

过去三年发表SCI论文总数:40篇

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