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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4. 间金属/铁电异质结-基于crack的新型记忆存储器件

由于表面缺陷对铁电畴的钉扎作用,铁电材料中部分畴不能在外加电场下自由反转。当给铁电材料施加周期性外加电场时,可自由反转和不能反转的畴交界处就会积聚很大的内部应力,当这种内部应力对应的弹性能高于铁电材料的表面能时,铁电材料表面就会出现纳米或者微米尺度裂痕。这些裂痕在周期性电场下会可逆开关并且会进一步生长扩展,对很多应用非常有害。然而,本小组和橡树岭国家实验室、宾夕法尼亚州立大学以及加州大学伯克利分校等机构的合作研究发现,如果将一些间金属合金薄膜集成到铁电材料上,铁电材料中的裂痕能很好地通过界面应力传递到合金薄膜中,从而实现间金属薄膜的微纳尺度裂痕在外加电场下的可逆开关,就像我们日常生活中的电开关一样,从而实现庞电电阻调制 (高低阻态比 > 108)。要实现这种调制效应,间金属合金需要有适中的力学延展性能。例如MnPt合金,它的力学性能和自旋结构密切相关,当其处于反铁磁态时,其体积模量和剪切模量的比值B/G = 1.84,很接近用于分辨材料延展性能好坏的临界值1.75,非常有利于实现微纳裂痕的可逆开关;而当其处于铁磁态(例如富含Mn/Pt反位缺陷时),B/G = 2.33,力学延展性能太好以致于很难形成微纳裂痕。这一研究“变害为利”,为信息存储开辟了新途径。


此项研究发表在Nature Communications 9, 41 (2018) 上,详见https://doi.org/10.1038/s41467-017-02454-8


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

此项研究被美国劳伦斯国家实验室ALS选为Science Brief进行报道:https://als.lbl.gov/ferromagnetism-emerges-alleviate-polar-catastrophe/


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