中国科学技术大学材料科学与工程系陆亚林

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       近日，由中国科学技术大学教授陆亚林领导的量子功能材料和先进光子技术研究团队在量子功能材料研究方面取得重要进展。该团队副研究员翟晓芳、副教授傅正平等人，与美国劳伦兹伯克利国家实验室博士Jinghua Guo、中国科大教授赵瑾、湖南大学教授马超等合作，在研究新型高温、高对称性铁磁绝缘体过程中，把高质量氧化物薄膜制备与同步辐射先进光电学探测、第一性原理计算等相结合，成功发现了高于液氮温度（77K）的高对称性铁磁绝缘体，并解释了产生高温铁磁转变现象的新机制。相关研究成果发表在《美国国家科学院院刊》上。

       为了获得能在高温下工作的、具有易外延生长能力的、高对称性结构的铁磁绝缘体，该团队进行了充分的材料筛选，认为LaCoO3薄膜是可能成为一个高对称性铁磁绝缘体的研究对象。但关于LaCoO3薄膜铁磁性的来源前期却充满了争议，由于对制备要求很高，薄膜中经常会出现大量缺陷，因而前期很多人认为是这些缺陷导致了铁磁性，导致了性能的不稳定及不可控。在该研究中，团队基于高质量单晶薄膜制备优势，研制了高质量、近似无缺陷的LaCoO3薄膜并深入研究了其铁磁性的来源，发现LaCoO3薄膜确实是一个罕见的高温铁磁绝缘体，其铁磁转变温度可以高达85K，是以往研究过材料的5倍，并高于液氮温度。通过制备不同氧含量、不同应力、不同厚度的LaCoO3薄膜，发现了氧缺陷的浓度增加会引起铁磁性的削弱，且在氧缺陷导致的Co2+含量达到10%左右时，铁磁性会完全消失；通过第一性原理计算，发现了与实验基本一致的结论，当氧缺陷被引入到拉应力下的LaCoO3薄膜中时，产生的Co2+高自旋态（t2g3eg2）与邻近的Co3+高自旋态或Co2+高自旋态形成局域的反铁磁相互作用，削弱了铁磁性。并且当Co2+的浓度达到12.5%时，反铁磁相互作用取代了铁磁相互作用并成为新的长程序，铁磁性因而完全消失。该研究充分解释并证明了LaCoO3薄膜铁磁绝缘机制，为未来研制高质量磁性量子器件等应用需求提供了一个亟需的新材料。