钙钛矿氧化物界面磁性的电场调控

Electrical-field control magnetism is an important method for performing high-density and low switching energy in magnetic random access memories. The interface of perovskite oxides can realize the novel quantum states which never appear in bulk phases and supply a platform for electrical-field control magnetism. Moreover, the magnetic properties in oxide interface strongly depend on the spin, charge, orbital, and lattice, which is suitable for electrical-field control magnetism. Our proposal will extensively study the various properties of perovskite-oxide interface under electrical field or not by using density functional theory. The effect of strain, stress, chemical and electronic doping on the interaction between spin, charge, orbital, lattice will be explored. The interface orbital reconstruction and the charge redistribution induced by the accumulation and depletion of charge and electroelastic effect under applied electrical field will be investigated, and consequently the interface magnetism anisotropy and magnetic moment can be tuned to perform electrical-field control magnetism. Based on theoretical work, we will synthesize room-temperature electrical-field control magnetism interface systems to test our theoretical model. The implementation of our proposal is helpful for building mechanism of electrical-field control magnetism of perovskite-oxide interface and supply a basis for realize all-oxide device for electrical-field control magnetism with fast-speed switching and low energy loss.

电场控制磁性是实现高存储密度并降低磁转换能量的重要途径。钙钛矿氧化物界面能够产生体相无法实现的新奇量子态，为实现电场控制磁性提供了一个丰富的平台。钙钛矿氧化物界面磁性对自旋、电荷、轨道、晶格的敏感依赖性，使得电场调控磁性成为可能。本项目拟以钙钛矿氧化物界面为研究对象，采用密度泛函理论方法系统研究钙钛矿氧化物界面处的结构演化，在界面处实现体相难以存在的非平衡自旋和电子态，探索应变、应力、化学和电子掺杂对界面处多体相互作用(自旋、电荷、轨道、晶格)的影响机制，研究电场作用下界面电荷的积聚和耗散效应以及电致伸缩效应诱导的界面处轨道重构和电荷密度分布变化，进而调制界面处磁矩及各向异性，达到电场控制界面磁性的目的。在理论研究的基础上制备室温电场调控磁性氧化物界面，验证理论模型的正确性。本项目的开展有助于建立电场控制钙钛矿氧化物界面磁性的调控办法，为实现室温快速低能耗磁转换全氧化物器件提供基础。

随着信息技术的迅速发展，具有磁电耦合的多铁材料已经成为高密度非易失随机存储器、传感器和其它微电子领域应用的非常有前景的候选材料。尤其在人工多铁异质结中，界面处的磁电耦合效应引起了人们的广泛关注。本项目采用第一性原理方法研究了几种多铁异质结、钙钛矿氧化物超晶格以及块材料界面处丰富的物理性质以及对这些性质的调控。多铁异质结构磁性调控的研究表明，通过界面铁电极化和极性的不连续引起磁性和电导率的变化，通过设置不同的终端，可以人为地控制在任意一个极化方向上发生局部铁磁序,甚至可以控制局部铁磁序是出现在界面还是表面;发现了多铁异质结中的极化影响钙钛矿氧化物界面物理性质的微观机制，即由于铁电极化的翻转，界面磁性的交换作用在双交换和超交换之间交替发生，同时改变了面内八面体的旋转角度和电子数；异质结构的表面极性不连续性和界面铁电极化不连续性的相互作用；钙钛矿氧化物超晶格的铁电极化可以同时或者单独控制原子的磁矩、磁序、电导率和磁交换作用，并且这些性质可以通过反转极化来稳健地操纵；稀土正铁氧体AFeO3中A位元素对铁电极化的大小具有决定性的影响了，正铁氧体畴壁上的铁电极化沿b方向的原因以及反铁磁畴壁上铁电性的微观起源；二维范德瓦尔斯异质结的磁电耦合和bimeron的电流驱动的研究，发现改变In2Se3的铁电极化可实现LaCl铁磁层的各向异性和居里温度的可逆调控；在LaCl/In2Se3异质结构中发现了bimeron形式的磁性斯格明子，并探索了bimeron的形成过程。