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电场调控LaXO_3(X=Fe,Al)/SrTiO_3、BaTiO_3/SrTiO_3异质结构中磁性及电子结构的理论研究

李莉莉  
【摘要】:钙钛矿氧化物具有丰富的物性和潜在的应用价值。它是一类研究电子关联性的理想材料,因为过渡金属的s电子转移到氧离子上,剩下的强关联的d电子决定了它们的物理性质,如电子输运、磁性、热导率及超导性等。这些电子关联性会引起晶格、自旋、电荷和轨道等多种自由度之间的相互耦合,进而使钙钛矿氧化物展现出许多奇特的物理和化学性质,如高介电常数、压电性、热电性、铁电性、高温超导性、庞磁电阻效应、多铁性和磁电效应等。近年来,随着外延合成技术的不断成熟,由不同结构、不同电子性质的体相钙钛矿氧化物复合而成的异质结构材料成为凝聚态物理与材料科学研究的热点之一。通过构建不同的异质结构可以出现有别于体相材料的物理性质,如磁性、金属性、铁电性和超导性等。本文利用基于密度泛函理论的第一性原理方法,首先研究了外加电场对LaFeO3/SrTiO3异质结构磁性及电子结构的调控作用。研究发现,外加电场可以有效地调控分别具有n型和p型异质界面的LaFeO3/SrTiO3异质结构在费米能级附近的能带色散。对具有n型界面的LaFeO3/SrTiO3异质结构,负电场可以削弱带移,甚至导致二维电子气,并伴随着在n型界面处可逆的绝缘体-金属/半金属转变。此外,在外加电场作用下,该异质结构完美地实现了从G型反铁磁到亚铁磁的转变。对具有p型界面的LaFeO3/SrTiO3异质结构,外加电场对体系的电子结构也有很好的调控作用。我们的理论研究工作进一步为新型磁电界面材料的实验设计铺平了道路。在先前的实验上,Thiel等人发现了外电场可以诱导由极性LaAlO3和非极性SrTiO3构成的异质界面发生绝缘体-金属转变,本论文探究了出现这种现象的可能原因。我们对不同层数的具有p型界面的LaAlO3/SrTiO3异质结构进行研究。解释了 LaAlO3部分的极化电势是如何克服SrTiO3的带隙,使得SrTiO3表面的O-2p轨道与LaAlO3表面的La-f轨道重叠,以及外加电场如何与自发极化协作并有效地调制费米能级附近的能带色散,从而在绝缘异质结构中引起绝缘体-金属转变。此外,外加电场对具有n型界面的BaTiO3/SrTiO3异质结构的电子结构也有一定的调控作用。外电场能有效调控BaTiO3/SrTiO3异质结构的能带偏移,诱导体系发生绝缘体-金属转变。我们的研究工作有利于扩展纳米氧化物电子器件的材料范围,对具有本征极化的氧化物异质结构的研究也具有重要的指导意义。


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