氧化物反铁磁薄膜界面结构的透射电子显微学与谱学研究

Spintronics is a hot topic in the condensed matter physics, and the antiferromagnetic thin films become an important research object. Particularly antiferromagnetic oxide thin films have been transformed from traditional static support materials in spin devices to main functional materials. In this project, by using atomically resolved Cs-corrected transmission electron microscopy (TEM) and spectroscopy (EELS and EMCD), we propose to investigate antiferromagnetic Cr2O3 thin films with different substrates to correlate interface structure, film thickness, crystallinity, crystal orientation, chemical composition, elemental valence state with the transport properties. In addition, by using atomically resolved Cs-corrected and in-situ electrical biasing TEM, we directly reveal the evolutions of interface microstructure and physical properties of antiferromagnetic Cr2O3 thin films under electrical-field, and explore the method of controlling magnetism by electrical-field at room temperature. These investigations will provide useful insights into fine-tuning the spin dependent transport properties of antiferromagnetic oxide thin film heterostructures.

自旋电子学的研究热潮使得反铁磁薄膜材料成为自旋电子学的重要研究对象，而其中的氧化物反铁磁薄膜材料已经从自旋器件中传统的静态支撑材料转型为主体功能材料。本项目拟利用原子分辨的球差矫正透射电子显微学与谱学（电子能量损失谱EELS和电子磁圆二向色性谱EMCD）相结合的方法，系统地研究不同衬底上外延生长的反铁磁Cr2O3薄膜材料的界面结构、薄膜厚度、结晶性、晶体取向、化学组成、元素价态以及磁学性能等信息；同时，利用原子分辨的球差矫正透射电子显微学与原位电学相结合的方法，直观地揭示外加电场调控下反铁磁Cr2O3薄膜材料界面的微观结构与物性演化，探索室温下利用原位外加电场调控磁性的方法。本项目的开展将为精细调控氧化物反铁磁薄膜异质结构的自旋相关输运性能提供依据。

氧化物反铁磁Cr2O3薄膜材料与衬底和其他功能组元构成的界面会表现出不同于块体材料的诸多奇异物理行为，这些特性在未来功能器件集成化和多功能化的趋势下具有巨大的应用潜力和优势。本项目利用原子分辨的球差校正透射电子显微学与谱学相结合的方法，系统研究了不同衬底上(TiO2、Al2O3)外延生长的氧化物反铁磁Cr2O3薄膜材料的界面结构、薄膜厚度、结晶性、晶体取向、化学组成、元素价态等信息；同时，利用球差矫正透射电子显微学与原位电学相结合的方法，研究了TiO2衬底上外延生长的氧化物反铁磁Cr2O3薄膜的电学性能以及对应的薄膜微观结构的变化，并尝试探索了室温下原位外加电场调控磁性的方法。本项目的开展能够为精细调控氧化物反铁磁薄膜异质结构的自旋相关输运性能提供理论依据。