异质外延磁结构的制备与物理特性研究

利用超高真空条件下的分子束外延、激光分子束外延、等离子体辅助外延在人工修饰的半导体和金属单晶衬底上制备多种异质外延磁结构；利用原位的自旋极化扫描隧道显微镜、光电子能谱、磁圆二色谱、表面磁光克尔谱以及非原位的电子输运测量等多种手段，对它们的原子结构、电子态、磁学性质和输运性质等物理特性进行表征。研究量子尺寸效应、界面效应、自旋-轨道耦合和铁电-铁磁耦合等相互作用对异质外延磁结构的磁有序及其相变、磁各向异性和自旋相关输运的影响，试图获得有潜在应用价值的新型磁性功能材料，促进正在兴起的自旋电子学发展。

本研究项目中， 我们主要研究了量子尺寸效应、界面效应、自旋-轨道耦合和铁电-铁磁耦合等相互作用对异质外延磁结构的磁有序及其相变、磁各向异性和自旋相关输运的影响。经过四年的项目实施，我们共发表研究论文40篇， 其中 Phys. Rev. Lett.3篇、Phys. Rev. B 14篇、Appl. Phys. Lett. 6篇,并获得国家发明专利授权3项。在国际重要学术会议做邀请报告29次，并组织国际学术会议2次。培养学生20名， 其中博士11名， 硕士9名。.本项目取得的科学研究成果主要有：（1）发现了铁磁薄膜材料中反常霍尔效应对的正确标度关系，实验上区分了反常霍尔效应的本征和非本征贡献， 为理论上理解反常霍尔效应的物理机制提供了坚实的实验基础。（2）研究了铋薄膜中的半金属-半导体转变，通过分离出电导的表面和体贡献，证明了即使有金属性的表面态存在，在铋薄膜的体内仍然存在半导体相，为长久以来的争论给出了确定的回答。 (3)首次发现了Fe单晶超薄膜中量子阱效应引起的磁各向异性振荡，并解释了为什么这个量子振荡的结果以前从来没有被发现过，同时利用角分辨光电子能谱测量观测到Fe中的量子阱态。 (4)研究了超薄膜中界面效应对于磁各向异性和相变的影响，通过调控界面原子成分以及改变薄膜厚度的办法，定量研究了磁性超薄膜中的界面磁各向异性。（5）原子水平上研究了单原子自组织生长和超薄膜生长机制，发现了亚单层铁薄膜在Ru(0001)表面上由于边界能和弹性能相互竞争导致的条纹结构，并研究了长程相互作用下的单原子自组织生长行为等。通过本项目的实施，完成了研究计划，达到了原定研究目标。