異質結界面是由化學組份不相同的材料通過化學鍵構成的。在具有鈣鈦礦結構的過渡金屬氧化物中,共頂點的氧八面體是通過金屬離子與氧離子之間化學鍵連接構成了整個氧化物界面的骨架,同時也為氧化物界面物性的調控提供了得天獨厚的條件。過去十多年,研究者們已經熟練掌握了通過襯底傳遞的失配應力、薄膜厚度引起的晶格弛豫應力以及結構對稱性不同的剪切應力等調控氧化物界面的物性??茖W家已經認識到界面處發(fā)生的電荷轉移、軌道重構、自旋耦合等物理效應可以改變氧化物界面兩側的母體材料的本征物理特性。這些方法已成為氧化物界面物理研究的范式。隨著薄膜制備技術的精進,科學家們已經可以利用高能電子衍射儀或者光學手段實時監(jiān)控功能氧化物薄膜的層狀外延生長,實現(xiàn)單原胞層-單原胞層超晶格的“樂高式”原子制造。將不同物理特性的氧化物材料相互搭配有助于實現(xiàn)“1+1>2”的性能突破,構建出具有多功能、多場調控的氧化物電子學器件。
最近,中國科學院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心的郭爾佳特聘研究員、金奎娟研究員和中國科學院高能物理研究所的殷雯研究員團隊,利用結構近鄰效應引起的巨大氧八面體傾轉實現(xiàn)了單原胞層厚度的具有鐵磁性的LaCoO3超薄膜,其飽和磁化強度達到了~0.7μB/Co,相比之前的飽和磁化強度又增加了40%。研究人員采用過渡金屬氧化物中具有超大氧八面體傾轉的DyScO3作為調控層,通過構建單原胞層-單原胞層超晶格,將氧八面體的傾轉傳遞到功能層LaCoO3中。他們利用合肥光源軟X射線磁性圓二色線站(BL12B-a)表征了LaCoO3薄膜的X射線吸收譜和X射線磁圓二色譜,結果證實了鈷離子從低自旋態(tài)轉變?yōu)檩^高自旋態(tài)。研究人員認為在張應力和八面體扭轉的共同作用下,晶格場和能帶帶寬減小,使電子更愿意占據eg能級的dx^2-y^2軌道,促進鈷離子發(fā)生自旋態(tài)轉變。上述實驗結果揭示了界面?zhèn)鬟f的氧八面體傾轉不僅可以作為亞納米尺度(原胞層量級)精確結構的調控手段,而且還可以與功能薄膜材料的電、磁、光等物性直接耦合,成為一種全新的物態(tài)調控范式。以上研究也有望突破過渡金屬氧化物超薄層在微納磁性功能器件中應用的瓶頸,使性能優(yōu)異的多功能單原胞層功能氧化物薄膜成為備選材料。相關研究成果以“Atomically engineered cobaltite layers for robust ferromagnetism”為題,發(fā)表在國際期刊《Science Advances》上。

圖. 單層超晶格通過八面體旋轉調控磁性狀態(tài),磁滯回線以及LaCoO3的XMCD譜線
原文鏈接:https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abq3981