静电门控效应对锰氧化物受限体系磁、电性质的影响及相关机理研究

The confined spatial size could induce various new effect and physics. In this project, the evolution of the local Jahn-Teller distortion, band energy structure, carrier mobility, distribution of oxygen vacancies and edge strain relaxation with spatial confinement will be studied. By investigating the response of magnetic and electric properties of spatial confined manganite, such as magnetic transport, magnetic anisotropy, Curie temperature, phase separation, metal-insulator transition and percolative transport, to the electrostatically gating effect (especially the high concentration carrier injection), the influence of the spatial confinement on the modulation of magnetic and electric properties by the electrostatically gating effect will be illuminated. Meanwhile, the gating effect induced variation on the valence of Mn ions, p-d orbital hybridization, preferential occupation of eg orbital and spin-charge-orbital ordering will also be studied to clarify the underlying mechanism on a micro-level for the electrostatically gating control of magnetic and electric properties in spatial confined manganite systems, and to realize the impact of size decrease on the interactions between various freedoms and their subtle balance. This research will help in realizing the physical origin of various novel effects relating to the spatial confinement in manganites, and provide scientific guide in developing new micro/nano-functional device based on the electrostatically gating effect. Moreover, it will also deepen the understanding of the correlative interactions between various freedoms and provide a reference for other spatial confined strong related systems.

空间微纳尺度受限诱发诸多新效应、新物理。本项目以钙钛矿锰氧化物局域J-T畸变、载流子迁移以及氧空位分布等在空间尺度受限下的演变为切入点，通过研究锰氧化物微纳受限体系磁电输运、磁各向异性、金属绝缘体转变及渗流行为等磁电性质对静电门控效应，特别是高浓度注入载流子的响应，认识微纳尺寸限制对静电门控效应调节磁电特性的影响规律。研究静电门控效应对受限体系Mn离子价态、pd轨道杂化、eg轨道择优占据、自旋-电荷-轨道有序等的影响，阐明静电门控效应调控锰氧化物受限体系磁电性质在轨道/电荷/自旋等微观层面的物理机制，认识维度尺寸下降对多种自由度耦合作用及相互之间竞争平衡的影响规律。通过本项工作不仅能深入认识锰氧化物微纳受限体系诸多新奇物理效应的本源，为发展静电门控效应为基础的新型锰氧化物微纳功能器件提供科学指导，而且可进一步加深对多自由度关联耦合作用机制的认识，为其他空间受限强关联体系的研究提供借鉴作用。

本项目以钙钛矿氧化物局域J-T畸变、载流子迁移以及氧空位分布等在空间尺度受限下的演变为切入点，研究了静电门控效应以及离子有序迁移等对复杂氧化物微纳受限体系离子价态、eg轨道择优占据、氧空位排布以及磁电输运、金属绝缘体转变及渗流行为等磁电性质的影响：1.在Pr0.7(Ca0.6Sr0.4)0.3MnO3-PMNPT全钙钛矿FETs原型结构中发现，随着沟道薄膜宽度缩减，偏置电场对沟道输运的调控从极性无关的应变传递模式转变为非易失极性依赖的极化电场调控模式，并且伴随有增强的调控灵敏度。微区电场模拟分析表明空间受限诱导面内电场出现并通过驱动氧空位移动调节边缘铁磁态是导致反常极性依赖关系出现的根源。揭示了微纳尺度下控制电子相分离分布的全新作用通道并为在微纳尺度实现相分离调控进而设计微纳尺寸的新型低能耗全氧化物功能器件提供了可能。2. 研究了静电门控场效应对离子液体-PCSMO/PMN-PT双栅受限薄膜磁电特性的调控，研究发现顶栅（电解质层）电压和底栅（反压电层）电压对薄膜的调控行为存在明显差异，双栅极调控通过耦合机制可大幅度地改变薄膜的磁电输运特性，表明双栅极耦合调控作用下薄膜的载流子密度发生较大变化。3.首次在La0.7Sr0.3CoO3薄膜中实现了B位阳离子和氧离子有序迁移诱导的三态连续拓扑学相变，同时薄膜经历从铁磁金属到非共线反铁磁绝缘体再到铁磁绝缘体的转变。研究发现A位La掺杂诱导Co-O键失稳最终在CoO4子层形成Co离子转移通道是实现双离子协同迁移诱导拓扑学相变的主要原因。为拓展拓扑学相变在离子电子学、电催化、离子电池等多领域的研究与应用开辟了新思路。4. 在非晶SmCo/PMN-PT薄膜中实现了室温下静电门控电场对磁性的各向异性非易失调控，门控电场作用下PMN-PT菱方-正交相变、SmCo薄膜有效单轴各向异性场以及方向对有序的变化共同导致了这一效应。这一工作为开发基于硬磁材料的多功能信息存储和新型自旋电子器件开辟了新的途径。.共发表Sci论文9篇，包括Nano Energy 2篇，ACS Appl. Mater. Inter. 1篇，Nanoscale 2篇，邀请报告3项，发明专利2项。指导博士研究生4名（2在读）。