锰氧化物电子相分离的扫描微波阻抗显微镜学研究

The discovery of colossal magnetoresistance (CMR) phenomena in manganites makes it one of the most studied strongly correlated systems with strong potentials in applications. CMR is believed to be closely related to the presence of strong tendencies toward electronic phase separation (EPS) in the system where an external magnetic field effectively suppresses the fluctuation of competing phases and leads to a dramatic reduction of the resistance. EPS in manganites can happen on various time-scales (from static to dynamic) and on various length-scales (from glass-like nano to grain-like micron), and are highly susceptible to external control (magnetic, electric and strain field) which makes it an ideal subject of studying the interplay between electron, spin, orbital and charge in strongly correlated systems. Scanning microwave impedance microscopy (sMIM) is a new scanning probe technique combing microwave detection and atomic force microscopy. It detects spatial variation of conductivity, dielectric constant and carrier density in sub-micron scale. In this study, we use sMIM to explore the evolution of EPS with magnetic/electric field in manganites. In particular, we focus on thin film superlattice and nanowire in order to shed lights on how geometric dimension/restriction, local magnetic/electric field will influence EPS. The goal is to actively control EPS in manganites.

锰氧化物中庞磁阻效应的发现使其成为最受学术界关注的强关联电子体系，并具有重要的应用前景。庞磁阻效应被认为与材料中存在的电子相分离紧密相连，外加磁场有效地压制相竞争带来的涨落，引起电阻的剧烈变化。锰氧化物中的电子相分离发生在不同的时间（静态到动态）与空间尺度（纳米到微米）下，并且可以被外场（磁场、电场和应力等）调控，是研究强关联体系电子、自旋、轨道和电荷等相互作用的重要物理现象。扫描微波阻抗显微镜是将微波探测与原子力显微镜相结合的新型扫描探针技术，可以有效探测材料亚微米尺度下电导率、介电系数和载流子浓度等性质变化。本项研究将利用该技术，研究锰氧化物电子相分离在亚微米尺度随外加磁场、电场的演化行为。研究将重点关注锰氧化物薄膜超晶格、纳米线等空间受限结构，揭示空间维度与尺度、局域磁场和电场对材料电子相分离的调控机理，最终实现锰氧化物电子相分离的可控生长与调节。

锰氧化物中庞磁阻效应的发现使其成为最受学术界关注的强关联电子体系，并具有重要的应用前景。庞磁阻效应与材料中存在的电子相分离紧密相关，即材料中存在铁磁金属相与反铁磁绝缘相的微观相共存，外加磁场诱导体系从相分离进入到单个铁磁金属相，并引起电阻的剧烈变化。如何通过外界手段实现对锰氧化物电子相分离的空间限域调控，是该材料走向器件应用的重要一步。本研究项目利用扫描探针技术（扫描微波阻抗显微镜和磁力显微镜）在锰氧化物电子相分离的实空间成像和空间限域调控上做出了重要工作。之前关于锰氧化物电子相分离的实空间成像大部分使用磁力显微镜，表征材料在外场驱动下反铁磁相到铁磁相的转变。我们使用扫描微波阻抗显微镜对锰氧化物薄膜LPCMO电子相分离进行实空间成像。利用扫描微波阻抗显微镜可以测量局域电导率，我们看到了材料随外场在微观尺度上从绝缘相到金属相的转变。利用渗流模型，我们可以很好地解释庞磁阻效应是由于外加磁场调控了材料中（铁磁）金属相的占比，使体系发生渗流转变。另外，我们结合扫描微波阻抗显微镜和磁力显微镜，对锰氧化物发生电子相分离之后同一个电子畴开展电学和磁学的表征，从实验上第一次验证了铁磁（反铁磁）相即金属（绝缘）相的理论假设。该假设是解释庞磁阻效应的核心假设。我们能够做到这一点的关键环节是制备了LPCMO超晶格薄膜，该超晶格薄膜的基态是均匀的反铁磁绝缘相。实验利用碳酸锶衬底的结构畴壁对超晶格薄膜在畴壁处施加压缩应力，从而局域地诱导出铁磁金属相。该铁磁金属相构成一维网状结构，后者完全由碳酸锶的结构畴壁决定。这个工作表明，通过有效地设计和控制衬底的应力分布，我们可以实现对锰氧化物中电子相分离的空间限域调控，为发展基于锰氧化物的新型量子器件提供坚实的物理基础。