许小红教授团队发现近邻层结构相变诱导的非线性磁耦合现象

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随着信息技术的高速发展，人们对自旋电子学器件的低功耗、高密度和高集成度提出了更高的要求，因此针对材料磁电性能调控机制的研究与相关器件的设计，成为推进自旋电子学器件多功能化的关键。在众多候选材料中钙钛矿锰氧化物（La0.7Sr0.3MnO3）作为一种典型的强关联体系材料，存在晶格、电荷、自旋和轨道四种自由度的强烈耦合，表现出了丰富的物理性质。特别是随着脉冲激光沉积和反射式高能电子衍射技术的发展和成熟，人们已经可以对钙钛矿过渡金属氧化物的生长实现原子级别控制，为研究复杂氧化物界面上的多种自由度耦合奠定了坚实的基础。通过外界条件改变某一个自由度往往可以引发多个自由度的连锁变化，从而对整个体系的物理性质产生调整。然而，目前基于锰氧化物异质结的物性调控和其中的机理研究仍然有很多需要解决的问题，存在巨大的发掘潜力。
        近年来，山西师范大学许小红教授团队青年教师周国伟，围绕La0.7Sr0.3MnO3基异质结的磁电性能调控开展了多方面的实验研究：利用界面电荷转移的微观变化发现了界面强交换偏置现象【ACS Appl. Mater. Interfaces, 9, 3156 (2017)】；利用界面强轨道极化诱导锰氧化物异质结出现界面超导现象【ACS Appl. Mater. Interfaces, 10, 1463 (2018)】；利用界面强铁磁交换耦合作用诱导锰氧化物异质结发生自发交换偏置现象【ACS Appl. Mater. Interfaces, 11, 26460 (2019)】；利用界面轨道重构诱导全锰氧化物发生磁滞回线垂直偏移现象【Phys. Rev. B, 101, 024422 (2020)】；利用离子液体门电压方法实现了锰氧化物异质结中交换弹簧效应与交换偏置效应的可逆调控【ACS Appl. Mater. Interfaces, 13, 15774 (2021)】。这些系列研究成果证明了人工设计的微结构可以高效调控锰氧化物的物性，从而满足该物质在不同应用领域的需求。

图1.（a）铜氧化物SCO随厚度变化的结构相变示意图：竖直状与平面状；（b）SCO/LSMO超晶格原位衍射斑点与振荡曲线监测图；（c）SCO/LSMO超晶格样品与单层SCO、LSMO参照样品的X射线衍射图。

图2.（a）SCO/LSMO超晶格在临界厚度以下和临界厚度以上时，界面离子间电荷转移量变化示意图。当SCO层为面外链状时界面电荷转移量强，当SCO层为面内面状时界面电荷转移量由于氧离子的缺失急剧减弱。（b）随SCO层厚度增加，SCO/LSMO超晶格体系中饱和磁化强度、交换偏置效应、面外晶格常数的变化趋势总结图。

图3.利用第一性原理计算方法，在SCO/LSMO超晶格体系中，模拟竖直状态与水平状态下界面电荷转移量与轨道占据能量大小的差异。

        近日，山西师范大学周国伟副教授和许小红教授，在高质量的铜/锰氧化物异质结中发现近邻层结构相变诱导的非线性磁耦合现象。研究人员选取具有明显结构相变的无限层铜氧化物SrCuO2薄膜，与钙钛矿锰氧化物构建成高质量的人工超晶格体系。通过铜氧化物层厚度的变化，诱使该超晶格体系的饱和磁化强度、交换偏置效应和晶格常数均发生了显著的非线性变化。其具体表现为：当SrCuO2层厚度低于结构相变临界厚度(5个晶胞)时，随着厚度的增加，超晶格体系中的饱和磁化强度逐渐增大、交换偏置效应逐渐减小、界面Mn/Cu离子间电荷转移量减小、锰氧化物中轨道占据状态发生重构现象；当SrCuO2层厚度高于结构相变临界厚度时，随着厚度的增加，超晶格体系中的饱和磁化强度逐渐减小、交换偏置效应逐渐增大、界面离子间电荷转移量急剧减小、锰氧化物层中轨道占据状态未发生变化。这是由于铜氧化物层随厚度的减小会发生铜氧面从水平(planar-type)到竖直(chain-type)构型的变化，同时也伴随着面外晶格常数从3.4 Å增加到3.9 Å。这时超晶格体系中存在的界面截止层、铜氧面构型和面外晶格常数差异，将直接影响界面锰氧化物的电荷转移量和轨道占据状态，进而影响体系的宏观磁性质。本研究在锰氧化物超晶格体系中进行了精确的人工设计，实现了乐高式原子层可控排列，利用近邻层的结构相变显著调控锰氧化物异质结的物性变化，为相关材料研究和强关联电子体系物理机理探索提供了有益参考。
        研究成果以“Dimensionality Control of Magnetic Coupling at Interfaces of Cuprate-Manganite Superlattices”为题，发表在Materials Horizons, 8, 2485 (2021)期刊上（影响因子13.2）。Materials Horizons期刊是英国皇家化学学会(RSC)旗下顶级学术期刊，在国际材料领域具有权威影响力。山西师范大学化学与材料科学学院青年教师周国伟与博士生姬慧慧为论文共同第一作者，博士生严志负责了第一性原理计算，许小红教授为论文通讯作者。该工作得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金（重点/面上/青年）等项目的支持。相关工作链接为：https://doi.org/10.1039/D1MH00790D。（材料科学研究院 供稿）


        


       文章来源：山西师范大学
        许小红，1966年4月出生，山西新绛人，中共党员，中国共产党第十八次全国代表大会代表，博士，教授，博士生导师。1988年毕业于天津大学并分配到山西师范大学工作，1996年在北京科技大学获硕士学位，2001年在西安交通大学获博士学位，2001-2006年期间在华中科技大学、英国谢菲尔德大学、日本东北大学从事博士后及合作研究。历任山西师范大学化学与材料科学学院副院长、材料化学研究所所长，2006年1月任山西师范大学科技处处长，2016年9月任山西师范大学党委委员、副校长。  
         周国伟，男，博士，讲师。2018年于山西师范大学化学专业获得博士学位；2019年于新加坡国立大学进行博士后访问研究。在ACS Appl. Mater. Interfaces; J. Mater. Chem. C; Nanoscale Res. Lett.; Sci. Rep.; Sci. China Mater. 等期刊发表SCI收录学术论文近二十篇。现主持国家自然科学基金青年项目、山西先进永磁材料与技术协同创新中心子课题各一项。主要从事钙钛矿稀土镍酸盐薄膜及其异质结的磁电性质研究。