中國科學院物理研究所
北京凝聚態物理國家研究中心
N03、L03組供稿
第25期
2021年03月31日
近鄰層結構相變調控钌氧化物磁電特性的研究進展

  在ABO3鈣钛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,科學家們已經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。過去的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。然而,這些途徑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撲朔迷離。

  最近,中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心的郭尔佳特聘研究員指导博士研究生林珊选取对结构非常敏感的铁磁金属特性的SrRuO3作爲研究對象,利用脈沖激光沈積技術制備了若幹原胞層厚度的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夾層等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。

  首先,研究團隊利用具有\(R \overline{3} c\)晶體結構和\(a^{-} a^{-} a^{-}\)的氧八面體構型的LaNiO3作爲覆蓋層來調控近鄰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,研究團隊確認了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,同時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也促使了SrRuO3薄膜具有更强的磁各向异性,为磁存储介质提供所需的垂直各向异性材料。本研究的相关内容以“Switching Magnetic Anisotropy of SrRuO3 by Capping-Layer-Induced Octahedral Distortion”为题发表在Physical Review Applied上。

  其次,研究團隊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随厚度减小将会发生铜氧面从水平(planar-type)到竖直(chain-type)构型的变化,同时也伴随着其面外晶格常数从3.4 Å增加到3.9 Å【Li, Guo* et al. Advanced Materials 33, 2001324 (2021)】。不同的界面截止层、铜氧面构型和面外晶格常数直接影响了界面处钌氧八面体中Ru-O的键长和键角。当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数由3.96 Å减小到3.90 Å。钌氧八面体结构因子也随之改变,打破了晶格场能和交换作用能之间的平衡关系,使简并能级的劈裂程度进一步加剧,直接影响了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、电输运特性发生巨大改变。本研究的相关内容以“Dimensional Control of Octahedral Tilt in SrRuO3 via Infinite-Layered Oxides”为题发表在Nano Letters上。

  这两项研究成果的第一作者均为博士生林珊(2020年度物理所研究生特优奖获得者)。郭尔佳特聘研究員和金奎娟研究員为共同通讯作者。系列工作还得到了中國科學院物理研究所张庆华副研究員、谷林研究員、武汉理工大学桑夏晗教授在高分辨透射电镜测量方面的支持,以及中国科学院高能物理研究所王嘉鸥研究員在X射线吸收谱测量方面、中國科學院物理研究所北京散裂中子源靶站谱仪工程中心朱涛研究員、美国橡树岭国家实验室Amanda Huon博士和Michael Fitzsimmons博士在极化中子反射测量方面的支持。

  該工作得到了科技部重點研發計劃青年項目、國家自然科學基金委、北京市科技新星計劃、北京市自然科學基金、中國科學院等的支持。

相關工作鏈接:
1)https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.1c00352
2)https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.13.034033

图1. (a) 具有LaNiO3塗覆層的SrRuO3異質結的高分辨透射電鏡。插圖爲各元素合並的EELS圖。(b)SrRuO3單層薄膜和(c)具有LaNiO3塗覆層的SrRuO3薄膜的磁化率隨磁場變化的曲線。(d)高分辨透射電鏡的ABF圖,右邊顯示了金屬離子-氧離子的鍵角隨厚度的變化關系

圖2.(a)豎直(chain-type)構型和(b)水平(planar-type)構型SrCuO2薄膜的高分辨電鏡圖。(c)和(d)分別顯示了被兩種不同構型的SrCuO2/SrRuO3/SrCuO2的結構示意圖。(e)和(f)分別顯示了兩類異質結構的磁化率隨磁場變化的曲線。(g)不用異質結構中鐵磁絕緣性SrRuO3與鐵磁半導體性SrRuO3所占比例。(h)電子能級結構示意圖。