以3d族过渡金属离子为探针研究钙钛矿结构钌氧化物的磁阻行为

The goal of this project is to looking for novel spin order and magnetoelectronic coupling in 3d transition metal ions doped perovskite ruthenates based on the clarification of the complex interplay between lattice, spin, charge and orbital degrees of freedom and the mechanism of giant response to small stimuli. We will synthesize polycrystal and singlecrystal samples using flux and floating zone method as well as perform transport measurements under field for all of them. This will help us to exlude the grain boundary tunneling effect.Several microsctructure and surface properties characterization techniques will be applied to investigate the surface eletronic state, spin order, local eletronic state around the doping ions and so on. First-principle calculations will be used to get the information such as band energy, shape of Fermi surface, density of states and so on. Through the combination of experiment and calculation, we want to study the coupling between 3d ions and 4d ions as well as mobile carriers and find more 4d transition metal oxide with exotic magnetoelectronic coupling behavior.

本项目以明晰4d族钌氧化物中晶体结构、电荷、轨道和自旋自由度之间的耦合作用，以及微扰下体系电子态的演变规律为基础，研究钌酸盐体系的特殊自旋序及调控。本项目以申请人长期在钌酸盐单晶工作为基础，通过3d族过渡金属离子为探针，探讨钌酸盐体系中RuO6八面体的结构畸变及轨道自旋耦合作用对电荷序、自旋序的影响，探寻体系中磁电耦合效应的起源，寻找新的具有应用前景的自旋电子学器件的新材料。项目拟将多晶、单晶样品相结合研究材料的本征磁电阻性质；通过多种表面测量技术细致研究单晶体表面原子组态、电子自旋、过渡金属离子附近局域电子态和相应电子结构信息。还将结合第一性原理计算不同离子的d轨道能级，费米面形状，费米面态密度等信息。研究掺杂3d离子和4d族宿主离子以及导带电子之间的耦合作用。

本项目以明晰4d族钌氧化物中晶体结构、电荷、轨道和自旋自由度之间的耦合作用，以及微扰下体系电子态的演变规律为基础，研究钌酸盐体系的特殊自旋序及调控。本项目以申请人长期在钌酸盐单晶工作为基础，通过3d族过渡金属离子为探针，探讨钌酸盐体系中RuO6八面体的结构畸变及轨道自旋耦合作用对电荷序、自旋序的影响，探寻体系中磁电耦合效应的起源，寻找新的具有应用前景的自旋电子学器件的新材料。我们通过系统的磁性测量, 确定了Ti掺杂的双层钙钛矿钌氧化物Ca3Ru2O7处在相变点附近的电磁相分离的组分范围，以及相分离现象的具体演变规律。 发现G型反铁磁绝缘体态在2%Ti离子替代的范围开始出现，随着Ti离子的增加，其相比例单调增加，在5%的替代浓度下，变成单相的G型反铁磁绝缘体.在这个工作的基础上，我们通过选择合适的掺杂比例，可以人为调控相分离中两种相（金属态和局域态）的比例，从而实现对其磁电阻性质的调控。在相分离中双层内铁磁金属态占比比较大时，样品的面间电阻在外加不同方向面内磁场时，其面间电阻交替呈现自旋阀和反自旋阀效应。研究发现这种反自旋阀效应的产生是由于相分离导致的软磁层(soft magnetic layer)的形成. 通过掺杂实现对软磁层的调控，可以为新一代自旋电子学器件提供新的思路。随着G型反铁磁绝缘体相在相分离中所占比例的增加，在某个特定的相比例下，双层内铁磁金属相可以在面内形成逾渗，而在面间无法导通，形成一个非常大的面间/面内电阻比值。增加这个比值，可以显著减少电子器件中的漏电现象，而这一直是自旋电子器件领域大家努力的方向之一。