絕緣型異質(zhì)結(jié)中的導(dǎo)電界面,如PN結(jié),是現(xiàn)代電子產(chǎn)業(yè)的核心。這一類(lèi)絕緣型異質(zhì)結(jié)至少包含一種能帶絕緣體,如SrTiO3和KTaO3。與能帶絕緣體相比,關(guān)聯(lián)絕緣體通常具有更為豐富的相圖,是實(shí)現(xiàn)絕緣體-金屬轉(zhuǎn)變的良好介質(zhì)。然而,在完全由關(guān)聯(lián)絕緣體組成的絕緣型異質(zhì)結(jié)中,目前鮮有導(dǎo)電界面的報(bào)道。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),一個(gè)直觀的思路是選擇具有穩(wěn)固金屬性基態(tài)但可被調(diào)控至絕緣態(tài)的電子關(guān)聯(lián)體系來(lái)構(gòu)造異質(zhì)結(jié)。而Dirac型semi-metal CaIrO3 (CIO)和half-metal La0.67Sr0.33MnO3 (LSMO)正是達(dá)成此次設(shè)計(jì)的理想材料。更重要的是,以往的銥氧化物/錳氧化物異質(zhì)結(jié)研究中已經(jīng)坐實(shí)5d/3d界面的強(qiáng)電荷轉(zhuǎn)移效應(yīng),這有利于促進(jìn)異質(zhì)結(jié)的電子態(tài)轉(zhuǎn)變。
基于以上考慮,郝林課題組利用激光分子束外延技術(shù)合成了一系列的nCIO/mLSMO(n和m分別代表CIO和LSMO的原胞層數(shù))異質(zhì)結(jié)。在強(qiáng)烈拉伸應(yīng)變的作用下,單獨(dú)的CIO和LSMO分別被驅(qū)動(dòng)至絕緣態(tài),然而異質(zhì)結(jié)卻表現(xiàn)出隨CIO層數(shù)可變的電輸運(yùn)行為。更為有趣的是,異質(zhì)結(jié)具有截然不同于單組份材料的超高飽和場(chǎng)。例如,水冷磁體WM5的電輸運(yùn)測(cè)量結(jié)果表明,3CIO/20LSMO異質(zhì)結(jié)在20 K時(shí)的飽和場(chǎng)甚至已經(jīng)大于30 T(圖a)。輸運(yùn)行為的巨大差異暗示異質(zhì)結(jié)可能存在電子相分離,高磁場(chǎng)的施加使得分離的金屬團(tuán)簇得以匯聚,導(dǎo)致樣品整體導(dǎo)電性能的提高。強(qiáng)磁場(chǎng)的電輸運(yùn)結(jié)果也意味著異質(zhì)結(jié)中的絕緣體-金屬轉(zhuǎn)變有可能來(lái)自于界面電荷轉(zhuǎn)移下的滲流效應(yīng)。為驗(yàn)證這一思路,研究人員進(jìn)一步調(diào)控電子關(guān)聯(lián)強(qiáng)度,并最終在nCIO/35LSMO的異質(zhì)結(jié)體系中,實(shí)現(xiàn)單原胞層可控的絕緣體-金屬轉(zhuǎn)變。這一工作表明全關(guān)聯(lián)絕緣體的異質(zhì)結(jié)不僅是探索新奇物理現(xiàn)象的沃土,在開(kāi)發(fā)精密型電子器件方面也有巨大潛力。
強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心博士生門(mén)恩陽(yáng)為論文第一作者,陳凱、朱弘和郝林為共同通訊作者。強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心王釗勝、郗傳英為本文的高場(chǎng)測(cè)試提供指導(dǎo)與幫助。該項(xiàng)研究獲得了中國(guó)科學(xué)院建制化科研平臺(tái)等項(xiàng)目的資助。
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??圖:(a) LSMO-LSAT薄膜和3CIO/20LSMO異質(zhì)結(jié)在不同溫度下磁阻的面內(nèi)磁場(chǎng)依賴(lài)關(guān)系;(b) 異質(zhì)結(jié)絕緣性隨CIO層數(shù)和面內(nèi)晶格常數(shù)a的變化關(guān)系。虛線代表絕緣體-金屬轉(zhuǎn)變發(fā)生位置
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