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王学锋教授课题组及合作团队在关联氧化物电子学方向取得系列进展
        随着现代电子科学技术及其相关产业的飞速发展,传统的微电子工艺已无法满足现有的对于芯片小型化、更高集成度和更低能耗的需求。当传统半导体晶体管尺寸逐渐达到物理极限、热耗散问题愈发突出时,人们已将目光转到包含有更加丰富物理特性的关联氧化物量子电子体系中。近期,我院王学锋教授、徐永兵教授、张荣教授团队在关联氧化物奇异物性及器件探索中取得系列进展。
        器件的高迁移率能带来低能耗、超灵敏的优势,但氧化物界面由于器件制备过程会大大损失其迁移率,因此无法满足低功耗、高频率等当前电子器件发展的新需求。课题组与丹麦科技大学的陈允忠教授合作,发展了更为简易且高效的高迁移率、低载流子浓度二维电子气界面器件的制备方法。他们采用无定形锰氧化物作为固态掩膜层,实现了收集电子和降低氧空位的有效途径,并诱导出显著的量子振荡行为。相关工作发表在Applied Physics Letters上(Appl. Phys. Lett. 111, 021602 (2017))。
        场效应晶体管是当前高度发达的电子产业的基石。传统的半导体场效应晶体管往往使用SiO2、Al2O3等材料作为介电层;尽管关联氧化物中的SrTiO3是一种高介电材料,使用传统的场效应结构可以调控关联氧化物的迁移率及电子结构等特性,但由于高的栅压(>100 V)使其局限在原型器件的基础研究,无法满足多功能、低功耗、微型化和易集成等实际电子器件的新特征需求。他们采用离子液体取代传统的介电材料对界面器件进行了电场调控,在γ-Al2O3/SrTiO3非同构界面实现了二维电子气的巨大调制效应。通过有效调节载流子浓度,观察到了氧化物界面的Lifshitz转变,并伴随着自旋轨道耦合作用的极大增强,同时阐明了界面二维电子气的电子结构。相关工作发表在Nano Letters上(Nano Lett. 17, 6878-6885 (2017))。
1. 高迁移率、低载流子浓度氧化物界面器件(左);离子液体调控的关联氧化物界面器件示意图及有效调控的能带结构(右)
 
        LaMnO3作为锰氧化物的母体材料,是一种A型反铁磁绝缘体,但将其制备成薄膜异质结后,常呈现出奇异的铁磁性。而这铁磁性的来源一直众说纷纭,没有定论。课题组与现代工学院王鹏教授及丹麦科技大学陈允忠教授等多个课题组合作,针对这一问题进行了深入研究。通过结合空间分辨的电子能量损失谱、同步辐射X射线吸取谱及X射线磁圆二色性谱等手段,他们首次指认了LaMnO3/SrTiO3异质结中同时存在Mn2+、Mn3+和Mn4+,揭示了铁磁性来自于LaMnO3中由于氧过量产生的Mn4+而发生的双交换机制,并非来自于界面效应或应力。更有趣的是,LaMnO3/SrTiO3中厚度依赖的铁磁行为与传统锰氧化物中“死层”效应相一致,伴随着由于电子重建而诱导的Mn2+在界面处的积累。这一工作澄清了原本反铁磁LaMnO3出现奇异铁磁性的根源,加深了人们对关联氧化物中氧过量这一问题的理解,有利于设计和制备基于关联氧化物的全氧化物自旋电子器件。相关工作以Frontispiece亮点论文的形式发表在Advanced Electronic Materials上(Adv. Electron. Mater. 4, 1800055 (2018)),并先后被Advanced Science News和Materials Views China作为亮点形式报道。
2. LaMnO3/SrTiO3异质结及X射线吸取谱/磁圆二色性谱
 
        上述系列工作的第一编辑均为云顶娱乐博士生钮伟,主要在王学锋教授的引导下完成的,得到了多个课题组的通力协作。研究工作以云顶娱乐官网、人工微结构科学与技术协同创新中心为主要研究平台,得到了国家重大科学研究计划、国家自然科学基金和国家留学基金等项目的资助。
 
相关论文及链接:
1. Suppressed carrier density for the patterned high mobility two-dimensional electron gas at γ-Al2O3/SrTiO3 heterointerfaces
W. Niu, Y. L. Gan, Y. Zhang, D. V. Christensen, M. V. Soosten, X. F. Wang*, Y. B. Xu, R. Zhang, N. Pryds, Y. Z. Chen*
Appl. Phys. Lett. 111, 021602 (2017).
https://aip.scitation.org/doi/10.1063/1.4993165
 
2. Giant Tunability of the Two-Dimensional Electron Gas at the Interface of γ-Al2O3/SrTiO3
W. Niu, Y. Zhang, Y. L. Gan, D. V. Christensen, M. V. Soosten, E. J. Garcia-Suarez, A. Riisager, X. F. Wang*, Y. B. Xu, R. Zhang, N. Pryds, Y. Z. Chen*
Nano Lett. 17, 6878 (2017).
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.7b03209
 
3. Direct Demonstration of the Emergent Magnetism Resulting from the Multivalence Mn in a LaMnO3 Epitaxial Thin Film System
W. Niu, W. Q. Liu, M. Gu, Y. D. Chen, X. Q. Zhang, M. H. Zhang, Y. Q. Chen, J. Wang, J. Du, F. Q. Song, N. Pryds, X. F. Wang*, P. Wang*, Y. B. Xu*, Y. Z. Chen*, R. Zhang
Adv. Electron. Mater. 4, 1800055 (2018). Frontispiece Highlight
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/aelm.201800055

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