LaMnO3氧化物异质界面电子结构和磁性的研究

来源 :湖南大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:wangliang19910125
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近年来,随着先进的外延薄膜生长技术的发展,在实验研究上,利用分子束外延和脉冲激光沉积技术,可以制备出具有原子级平整的薄膜结构,过渡金属氧化物界面得到了广泛的研究。众所周知,钙钛矿型过渡金属氧化物本身具有许多有趣的物理性质,如高温超导性、铁电铁磁性、电荷轨道自旋有序、La1-xSrxMnO3的巨磁阻效应,当两种不同的钙钛矿氧化物材料组成异质界面时,界面处的结构对称性被打破,电子之间的关联效应增强,体系中就可能会发生氧八面体结构的畸变、电荷转移、自旋极化、轨道重构等现象,从而在界面处获得不同于单独块体材料所具有的新奇量子态,氧化物界面具有的潜在应用前景使其成为现代电子信息材料的研究热点。在基于LaMnO3的异质结中,Mn离子3d电子占据数目是3-4个,电子占据在多个轨道上,界面磁构型复杂。钙钛矿型氧化物沿(001)或(111)方向生长可以产生不同类型的极性原子层,满足化学计量比的异质结界面会发生极性不连续,电荷的转移能够有望在锰基氧化物异质界面处获得高度自旋极化的二维电子气。  本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,研究了几种钙钛矿型氧化物界面的电子结构和磁性质,主要的结果如下:  一、我们研究了过渡金属氧化物(LaMnO3)n/(SrTiO3)m异质界面的离子弛豫、电子结构和磁性质。研究表明,不同的组分厚度比及不同界面构型,离子的弛豫程度各不相同,界面处的电子性质受此影响大。对于n型界面,当LaMnO3的厚度达到6个单胞层后,电子会从LaMnO3转移到SrTiO3,转移的电子占据界面层Ti原子的3d电子轨道,界面处出现二维电子气。对于n型界面(LaMnO3)n/(S rTiO3)2,随着LaMnO3厚度数的增加,由离子弛豫造成的结构畸变减小,而界面处Ti原子周围电子的态密度和自旋极化却增大,这表明高厚度比的n型界面有利于产生高迁移率的二维电子气和自旋极化。而对于p型(LaMnO3)2/(SrTiO3)8界面,在SrTiO3一侧基本没有结构畸变,界面处无电子转移和自旋极化现象。通过计算平均静电势发现n型和p型界面处的势差大小相差2eV,解释了p型界面不容易发生电荷转移的原因。  二、我们研究了(001)和(111)方向(LaMnO3)m/(LaNiO3)n界面体系的电子、磁结构性质。计算结果表明,对于(001)方向生长的(LaO)+/(NiO2)-界面以及(111)方向生长的(LaO3)3-/(Ni)3+界面,界面层的磁序都转变成了铁磁性耦合,不同于LaMnO3的反铁磁性和LaN iO3的顺磁性,两种方向生长的异质界面都有电子从LaMnO3转移到LaNiO3,这表明(111)方向异质结同样存在极性不连续,且(111)方向的界面转移的电荷数目更多,同时出现高自旋极化的铁磁金属性。诱导出的Ni磁矩值大小为(111)方向的界面比(001)方向的界面更大,且磁矩大小受厚度比m/n控制,计算表明,结构为(2∶1)的(111)方向界面体系能获得最大的Ni磁矩。
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