刘知琪

青年千人计划入选者

Professor

教授 、研究生导师 、博士生导师

单位:材料科学与工程学院

学位:博士学位

专业:理学

毕业院校:National University of Singapore

电子邮件:

办公地点:新主楼D439

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3. 反铁磁绝缘体LaMnO3和SrTiO3的界面电荷重构及新奇铁磁

复杂氧化物界面的新奇电性、磁性、光学特性近年来备受关注,其主要原因是界面的电荷、轨道、晶格、自旋重构能诱发很多有趣的物理特性。2015年,荷兰Twente大学和新加坡国立大学的合作研究通过扫描超导量子干涉仪(Scanning SQUID)测量观察到:若把严格化学计量比的LaMnO3 (LMO)薄膜生长在SrTiO3(STO)上,其原来的反铁磁性变成了铁磁性[Science 349, 716 (2015)]。然而,诱发这一新奇现象的确切机制一直悬而未决。本小组和加州大学伯克利分校、新加坡国立大学、田纳西大学诺克斯维尔分校、橡树岭国家实验室等的合作研究通过高精度X-射线磁圆二色谱(X-ray Magnetic Circular Dichroism)测量发现:当LMO薄膜生长达到2个原子层(unit cell = UC)时,LMO内部就会出现由界面极性失配诱发的电荷转移,导致界面处Mn2+积累,但此时由于Mn2+比例过多,LMO薄膜仍然处于反铁磁状态;当进一步增加LMO薄膜的厚度到5UC时,Mn2+/Mn3+的比例达到双交换耦合的铁磁性区域,诱发了新奇的铁磁特性。这一研究为极性失配的LMO/STO异质结中LMO内部的电荷重构提供了直接证据,其临界厚度为2UC,并阐述了铁磁临界厚度5UC的起源。此机理可用于原子层尺度新奇磁性调控。


此项研究发表在Physical Review Letters  119, 156801 (2017) 上,详见https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.119.156801


2. 能带绝缘体LaAlO3和SrTiO3的界面二维电子气综述章节

2004年,日本东京大学Harold Y. Hwang实验小组发现宽禁带绝缘体LaAlO3和SrTiO3异质结的界面有可以导电的高迁移率电子[Nature 427, 423 (2004)],引发了氧化物界面电子学研究的热潮。随着各氧化物小组研究的跟进,这个界面体系被挖掘出了很多奇异的物理特性,如二维超导、磁性散射、铁磁性、铁磁和超导共存等,在整个凝聚态物理中引起了广泛关注。十多年过去了,关于这个体系的研究仍非常活跃。此综述为美国Apple Academic Press和CRC Press共同出版的材料类书籍《Functional Materials and Electronics》的第2章,共计61页,对二维电子气的制备、电子输运特性、磁学特性、物理起源、以及器件应用等方面进行了详细的总结归纳,能对氧化物界面研究领域的入门者起到引导作用,其中涉及到的研究思路和方法对其它氧化物研究也有借鉴意义。


   

书籍的出版页面详见https://www.crcpress.com/Functional-Materials-and-Electronics/Yi-Li/p/book/9781771886109


1. 钙钛矿氧化物NdGaO3 (NGO)中新奇紫外和蓝色荧光以及“超氢掺杂”

NGO在氧化物电子学研究中被广泛用作基片材料,主要用于单晶氧化物薄膜生长及对外延薄膜进行应力调控。它本身是一种正交晶格的绝缘氧化物,但其赝立方晶格参数 a = 3.87 A (angstrom),和很多钙钛矿氧化物(3.6~4.1 A)的晶格匹配度高。高温下,Nd3+稀土离子的净磁矩之间缺乏长程磁耦合作用,而使NGO表现为顺磁体,低于1 K会经过一个磁性相变到反铁磁相。这样一种基础材料,其光学特性很少被研究。本小组和新加坡国立大学NUSNNI-Nanocore的合作研究发现,室温下的NGO被高强度325 nm激光激发后会发出很强的紫外及蓝光(通常用于荧光照明),发光峰由电子在稀土原子Nd的原子能级之间的跃迁所决定。另外,微量Ce4+离子掺杂能显著抑制NGO的荧光发射。这是因为:Ce替换掉Nd后相当于对NGO进行电子掺杂,多余的一个电子在NGO中的电子云分布范围,类似于氢原子的玻儿半径(0.53 A),和材料的介电常数成正比;由于很多钙钛矿氧化物材料的介电常数比较大,如NGO介电常数约为20,SrTiO3的介电常数为300,使得这种类氢掺杂电子的电子云半径很大,达到nm甚至10 nm量级,故名为“超氢掺杂”;当Nd原子的基态电子被激光激发到高能级以后,如果周围有这种“超氢电子”,它就很可能不向低能级跃迁发光,而是通过散射将能量转移给超氢电子,从而抑制发光。实验发现,只需要5%的Ce原子掺杂就可以完全抑制NGO的荧光发射。同时,这种超氢掺杂有可能通过RKKY作用而改变Nd3+磁矩之间的磁性耦合。


 

此项研究发表在Scientific Reports 6, 36352 (2016) 上,详见http://doi.org/10.1038/srep36352