铱酸锶基氧化物异质结构的界面磁性研究

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过渡金属氧化物中出现的许多新奇物理现象引起人们广泛关注,如金属-绝缘体转变、超导和巨磁阻等,它的出现源于电荷、自旋、轨道和晶格自由度的相互纠缠。利用先进的薄膜沉积技术构建人工异质结构,在界面处提供了一种电子重构的方法,导致出现单个组分材料中没有的新奇物理现象。尤其是,SrIrO3基异质结构中展现出强的垂直磁各向异性(PMA)和磁斯格明子(Magnetic Skyrmion),在磁随机存储器等工业应用方面展现出巨大潜力。另外,产生和调控这些物理现象的基础研究对于氧化物基自旋电子学具有重要意义。到目前为止,大量的工作只是报道了由厚的薄膜组成的超晶格或双层膜,而对于超薄层(单层和双层)组成的晶格很少被研究。主要原因是厚度的减小将会破坏体态中存在的性质,如结构、电和磁相转变。在异质结构中通过界面电荷转移或晶体结构失配会引起界面的结构重构和电子重构,因此有望观察到新颖物理现象。为了发现这些有趣和新颖的现象,本论文重点研究了SrIrO3基短周期超晶格的电学和磁学性质,即SrIrO3/SrRuO3和SrIrO3/LaCrO3超晶格。主要研究成果如下:1.利用脉冲激光沉积(PLD)技术,通过对氧压、温度等参数的调控,在(001)取向的Sr Ti O3基片上成功制备出高质量SrIrO3、SrRuO3和LaCrO3薄膜。通过XRD表征了薄膜质量、晶格结构和薄膜厚度等。结合磁学测量系统(MPMS)和综合物理性能测试系统(PPMS)对SrIrO3和SrRuO3薄膜的磁学和电学性质进行了分析,实验结果表明,SrIrO3薄膜是顺磁金属,SrRuO3薄膜是易磁轴在面外(OP)的铁磁金属。基于以上研究,对于SrIrO3/SrRuO3和SrIrO3/LaCrO3超晶格薄膜的制备起到基础作用。2.制备了总厚度大约16nm的(SrIrO3n/(SrRuO3n超晶格薄膜,其中n=1-5。这些超晶格薄膜表现出铁磁和金属性以及明显的PMA,与单层和双层SrRuO3、SrIrO3薄膜的反铁磁绝缘体形成鲜明对比。此外,在n=1中PMA达到1.6×106erg/cm3,值大约是n=5的两倍。引人注目的是,在这个体系中还观察到了拓扑霍尔效应(THE)。这些研究表明,厚度驱动(SrIrO3)/(SrRuO3)超晶格会出现新奇电学和磁学性质,其中界面效应扮演着至关重要的的角色。此体系的研究证明了在超晶格中n可以作为一个调控PMA的手段,同时也为过渡金属氧化物提供了一种设计新颖的功能材料的方法。3.制备了总厚度约为16nm的(SrIrO3n/(LaCrO3n超晶格薄膜,其中n=2-5。有趣的是,超晶格表现出与SrIrO3和LaCrO3薄膜完全不同的铁磁性。在非极性/极性SrIrO3/LaCrO3界面弱铁磁性从平面内(IP)向平面外(OP)转变,增强了磁化强度。通过X射线光电子能谱(XPS)研究了元素的价态,实验结果表明在界面处没有出现明显的电荷转移特征,这种铁磁性可能来源于界面的结构重构。
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