具有金属性界面新型氧化物异质结的设计、制备与特性研究

It is still unclear on the physical mechanisms of high-mobility two dimensional electron gas (2DEG) at the heterointerface between insulating oxides LaAlO3 and SrTiO3. In the current project, we will design several oxide heterostructures with different structures，thicknesses and compositions, based on the possible physical mechanisms to generate 2DEG in oxide heterostructure, and fabricate them by growing perovskite oxides with similar or different properties together by laser molecular beam epitaxy. We will investigate the electrical, magnetic and optical properties of the oxide heterostructures to search novel insulating oxide heterostructures with metallic interface, focusing on the structure, transport properties and physical mechanisms of 2DEG in the insulating oxide heterostructures. The study not only can deepen the understanding on 2DEG in insulating oxide heterostructures, also is of guiding significance for designing novel materials and electronic devices with multifunctional properties (electrical, magnetic, optical properties) and a wide range of potential applications.

由两种绝缘氧化物构成的LaAlO3/SrTiO3异质结界面上形成高电子迁移率二维电子气的物理机理还不是很清楚。本项目将基于现有可能产生界面二维电子气的几种机制，设计几种不同结构、不同厚度、不同化学组分的绝缘氧化物异质结，并利用激光分子束外延将具有同一特性或不同特性的绝缘钙钛矿氧化物材料交叉叠加在一起形成异质结，研究分析其电、磁、光等物理特性，探寻具有金属性界面的新型绝缘氧化物异质结构，重点研究其结构、输运行为和绝缘氧化物异质结界面导电性的物理机制。本项目的研究不仅有利于加深对绝缘氧化物异质结界面产生二维电子气物理机理的认识，而且对设计具有电、磁、光等多功能特性和应用前景的新型材料与器件也具有重要的指导意义。

氧化物界面二维电子气呈现出丰富的物理特性，如超导性、铁磁性、热电性、电子关联性等等，因而受到广泛的关注。目前，对该二维电子气的形成机理还存在争议，因而探索研究新型氧化物界面二维电子气的物理特性有助于进一步理解氧化物界面二维电子气的形成机理。本项目负责人和其团队成员根据申请书既定的研究计划，开展了应力、光场对氧化物界面二维电子气的输运性质的调控及机理的探索研究，取得了一系列的研究成果，较好地实现了既定的科学目标，具体研究工作包括：i)利用与生长温度相关的应变深入研究了应变对LaAlO3/SrTiO3(LAO/STO)异质结界面二维电子气输运性质的影响，发现应变导致的薄膜表面裂纹有助于STO衬底中氧的逸出，因此当表面裂纹开始形成时界面电阻显著下降；ii)在非晶LAO/STO异质结界面观察到光抑制的近藤效应，光场协助的霍尔效应测量结果表明在近藤温区这种抑制是由光照增加的载流子迁移率引起的，与载流子的数目关系不大；iii)通过选取合适的化学试剂、恰当的热处理，在BaTiO3(BTO)晶体和PMN-PT晶体中取得了具有清晰台阶的表面，为其它具有二维电子气特性的新型氧化物异质结提供很好的衬底材料；iV)尽管与LAO/STO结构相似，发现在氧压（10-3~10-5 Torr）条件下获得的外延和非晶LAO/BTO异质结界面是绝缘的，意味着除了现有的三种氧化物界面二维电子气的形成机制外，可能还存在第四种机制，且该机制是绝缘氧化物界面产生二维电子气的必要条件之一。LAO/BTO异质结中很可能缺少这种机制，因而仅当生长氧压非常低（10-6Torr）时其界面为导电的。本项目以实验探索为主，拟在深刻理解氧化物界面二维电子气的形成机理。