过渡金属氧化物界面二维电子态的量子输运与调控研究

The search for the origin of two-dimensional electron state (2DES) at transition metal oxide heterostructure interfaces, and for new oxide heterostructure interface system with high conductivity and high mobility, is currently one of the most active research fields in low-dimensional quantum functional materials. In this study, atomic-resolution scanning transmission electron microscopy, electron energy loss spectroscopy, X-ray photoelectron spectroscopy and first-principles calculation will be employed in combination to investigate the origin of 2DES at LaAlO3/SrTiO3 and CrO2/TiO2 interfaces. Meantime, magnetoresistance oscillations, Landau levels and Hall effect will be measured by Physical Property Measurement System, to explore novel quantum states, such as superconductivity, ferromagnetism, and quantum Hall phases, in combination with the theory to reveal their physical nature. By applying a gate voltage, carrier concentration of the interfaces will be controlled and the relationship between electron mobility and applied electrical field (i.e., carrier concentration) will be systematically investigated, demonstrating a route to the design and preparation of heterojunction electronic devices.

探究过渡金属氧化物异质界面二维电子态形成的物理机制，以及寻找高电导性、高迁移率的新型氧化物异质界面体系，是目前低维量子功能材料研究的一大重点。在本课题中，我们将通过原子分辨扫描透射电子显微镜、电子能量损失谱、X射线光电子能谱并结合第一性原理计算揭示LaAlO3/SrTiO3和CrO2/TiO2界面二维电子态的起源；利用物理特性测量系统等测量氧化物异质结界面在低温和外加磁场下的磁阻振荡、郎道能级和霍尔效应等输运特性，探测超导、铁磁和量子霍尔相等新奇量子态，并结合理论揭示其物理本质。利用聚合物离子液体的方法对上述界面施加门电压，调控界面的载流子浓度，探测其电子迁移率随门电压也就是载流子浓度的变化情况，为异质结电子器件的设计和制备提供充分的实验依据。

本课题的实施基本上按照原计划进行，获得了如下研究成果：.1）过渡金属氧化物LaAlO3/SrTiO3界面二维电子态起源.利用L-MBE的方法制备了高电导性、高迁移率的(001)和(110) LAO/STO氧化物异质界面体系，通过X射线光电子能谱、球差校正高分辨的透射电镜、原子分辨的电子能量损失谱和第一性原理计算对(110) LAO/STO异质结界面原子结构和band alignment做了系统研究，提出了LAO/STO体系二维电子态起源的一种全新机制。此机制将极化灾难模型和“Sr1-xLaxTiO3”阳离子混合模型统一起来，成功且统一地揭示了(110)和(001) LAO/STO界面处二维电子态的形成机理。.2）过渡金属氧化物LaAlO3/SrTiO3界面的二维超导电性及其非传统超导配对机理探索.利用物理特性测量系统（PPMS）探测了氧化物异质结界面在低温和外加磁场下的磁量子效应、磁阻振荡等输运特性。特别是，极低温（～10 mK）输运测量证实了LAO/STO界面的二维超导电性，超导转变温度在200mK左右。在LAO/STO界面观察到了可能的超导铁磁共存现象：在测量磁阻过程中，发现在零磁场附近出现了磁阻峰。初步的研究结果表明过渡金属氧化物界面二维电子态的超导铁磁性共存不是相分离导致的，其超导配对空间波函数很有可能具有p-波对称性。在此基础上，开展了相关的相位敏感实验。.3）LaAlO3/SrTiO3界面二维超导的量子Griffiths奇点的观测.对于LAO/STO体系，发现磁场可以驱动其发生从超导态转变到弱绝缘态的量子相变。有别于传统的单一磁阻交点和临界指数，不同温度下的磁阻曲线相交于一个区域，进一步地分析得出临界指数为一系列的值。此外，接近0 K时，临界指数迅速地发散。通过理论的分析，发现实验结果与量子Griffiths奇点较为吻合。这项工作也为超导（包括高温超导）等量子材料体系中量子临界行为的理解提供了新的思路。