关联氧化物薄膜体系的新物性及离子液体电场调控的研究

1、关联氧化物薄膜体系的新物性及离子液体电场调控的研究随着电子信息产业的飞速发展, 传统半导体产业由于摩尔定律的终结及功耗问题面临着巨大挑战。关联氧化物体系作为电子学发展的前沿领域备受关注, 它主要利用新的材料体系及其人工微结构的设计, 探索新的物理原理来制备新型的低功耗电子器件, 从而为电子信息产业的持续发展带来新的机遇。过渡金属氧化物由于同时拥有电荷、自旋、晶格和轨道四个自由度, 并且各个自由度之间相互作用 , 使其成为一种典型的强关联电子体系。这四个自由度之间的竞争和共存诱导了丰富的物理现象, 例如超导、铁磁、铁电、 金属绝缘体转变等。 锰氧化物作为一种典型的过渡金属氧化物因其庞磁电阻效应的

2、发现而受到了广泛的研究; 另外 , 在关联氧化物薄膜界面发现的高迁移率二维电子气也开启了研究氧化物界面特性的热潮。本论文中 , 我们通过脉冲激光沉积技术制备了高质量锰氧化物层状外延薄膜和高迁移率的氧化物薄膜界面二维电子气体系 , 研究了锰氧化物新的物理特性和界面二维电子气离子液体辅助的电场调控, 主要获得的成果如下:(1) 锰氧化物中的新物性 a.La.0.7Sr0.3MnO3薄膜中的弱局域化效应量子干涉效应通常被认为是锰氧化物在低温时出现电阻极小值的原因。高磁场下电阻随温度呈现T1/2 的变化关系被指认为电子- 电子相互作用 ; 然而量子干涉效应的另一种来源( 弱局域化效应 ) 在锰氧化物中

3、缺乏直接的实验观察。我们在获得了 La0.7Sr0.3MnO3(LSMO)外延薄膜后,对其进行了系统的输运研究 , 发现了零磁场附近的电阻尖峰, 这是弱局域效应的直接实验证据。 通过分析拟合，我们将LSM时的低温电阻极小值归因于由电子-电子相互作用和弱局域化效 应共同导致的量子干涉效应。此外 , 从弱局域化效应分析得出的相位相干长度随温度的变化关系表明LSMOB膜符合二维局域量子理论。这加深了对钻氧化物局域理论的认识。b.LaMnO刚膜异质结中的奇异磁性除了对钻氧化物进行输运测试,我们还对其 丰富的磁学特性进行了研究。钮氧化物的母体材料LaMnO3(LMO)论上是A型的反铁磁绝缘体,将其制备

4、成薄膜异质结后呈现出奇异的铁磁性, 而这铁磁性的来源至今仍没有确定的结论。我们制备了 LMO/SrTiO3异质结，发现仅当LMO勺厚度大于5单胞时,该异质结呈 现出明显的铁磁性并最终达到饱和(1.5 m/Mn)。结合元素分辨的电子能量损失 谱和同步辐射中的X射线吸收谱/X射线磁圆二色性谱，我们首次指认LMOt存在 多重价态的Mn离子(Mn2+,Mn3拜口 Mn4+),我们认为是多重价态 Mn离子的 Mn3+-O-Mn4双交换作用诱导了 LMO质结薄膜的铁磁性，当LMOt膜厚度小于5 单胞时,LMO不呈现铁磁性，这一厚度依赖的磁性则是由于钮氧化物中存在的死 层行为所导致，可能与电子重建诱导出的

5、Mn2+t关。我们从而排除了以前普遍认为的由于极性不连续诱导的电子重建、衬底与LMOW膜之间的应力等界面效应诱导的磁性。(2)氧化物界面二维电子气的制备 和电场调控a.高迁移率界面二维电子气器件的制备非同构尖晶石/钙钛矿T-Al2O3/SrTiO3 二维电子气拥有极高的迁移率, 然而其对应的载流子浓度也比常规的氧化物二维电子气高一个量级(1015cm-2) 。 为了进一步推动氧化物二维电子气的器件化、实用化，我们使用非品的LMO乍为掩膜层制备了界面二维电子气器 件。与此同时 , 由于特定掩膜层的引入 , 载流子浓度由原来的1015cm-2 量级有效地被抑制到1012cm-2量级。在有效抑制载流

6、子浓度的同时，二维电子气仍保持了高迁移率(3600cm2V-1s-1)这一优点，从而在低温时呈现了 SdH量子振荡。这对制备低功耗氧化物界面器件具有很大价值。b. 氧化物界面二维电子气的离子液体电场调控界面处的高载流子浓度使其在传统的场效应晶体管中的应用受到限制 , 即很难在低电压下通过介电材料调控二维电子气。为了克服这一长久存在的困难 , 我们使用离子液体作为介电材料,实现了在仅几伏的电压下即可达到比传统场效应管结构施加几百伏电压更好的结果。我们通过离子液体电场调控,在丫 -A12O3/SrTiO3界面实现了二维电子气 的巨大调制效应。通过调节载流子浓度，我们观察到氧化物界面在临界载流子浓度为3X1013cm2附近出现了 Lifshitz 转变，并且伴随着自旋轨道作用的极大增强，同时阐明了在非同构氧化物界面二维电子气的电子结构。另外, 随着载流子浓度的增加 , 电阻在低温区还呈现了 Kondo 效应。而通过施加负电压抑制载流