钙钛矿氧化物表面与界面处二维电子气的第一性原理研究

发布时间：2020-05-30 15:51

【摘要】：在LaAlO_3(LAO)和SrTiO_3(STO)的界面处发现二维电子气(2DEG)引起了人们对该体系以及钙钛矿氧化物异质结构广泛的研究。然而2DEG出现的物理机制一直是激烈争论的问题。目前,被广泛引用的物理机制包括,界面处的极化不连续、氧空位、阳离子混合、衬底诱导的八面体畸变等。本文通过基于密度泛函理论的第一性原理计算研究了应变和氧空位对基于KTaO_3(KTO)表面与界面处二维载流子气的调控,以及应变对基于Mott绝缘体YTiO_3(YTO)超晶格结构电子特性的调控。我们研究了面内应变(-5～5%)对极性KTO表面处二维载流子气的调控,由于沿(001)方向极化交替的(KO)~-...(TaO2)~+原子层,我们观察到KTO表面体系的顶部和底部分别出现2DEG和二维空穴气(2DHG)。当在ab面内施加拉伸应变时,2DEG和2DHG的位置没有变化。然而随着压应变的增加,2DEG由顶部逐渐转移到底部,2DHG由底部逐渐转移到顶部。在这个过程中,当压应变为-3～-4%时,2DEG和2DHG消失,体系表现出绝缘特性,带隙分别为0.53～1.40 eV,这是因为随着压应变的增加,每个ab面内的阴阳离子之间的相对位移沿c方向逐渐增加,导致阴阳离子之间的铁电极化与极化原子层效应相互抵消。我们构建了由铁磁半导体EuO和KTO组成的EuO/KTO超晶格结构模型,该结构包含两个界面为TaO_2/EuO和KO/EuO。分别在两个界面处的KTO层中取氧空位,计算结果发现由于界面处氧空位的存在,界面处会出现2DEG。由于Eu原子内f-d轨道的耦合以及费米面处Ta的d轨道与Eu的d轨道杂化,在TaO_2/EuO界面处的二维电子气会出现自旋极化,最接近界面的TaO_2层中的Ta原子成铁磁排列,磁矩值高达0.18μ_B,但在KO/EuO界面处的2DEG的自旋极化接近于零。我们计算了面内应变对YTO/STO超晶格的结构和电子态调控。发现当在面内施加压应变时,体系出现绝缘体-金属转变,对体系结构的分析发现体系从绝缘体到金属的转变伴随着体系的结构相变。当在面内施加拉伸应变时,体系没有出现该转变。另外,我们发现当减小U值时,体系也会出现相似的绝缘体-金属的转变。因此,这种绝缘体-金属相变的控制参数为U/W的比值。以上这些发现可以提升我们对此类氧化物表面和异质结构及其电子特性的认识。
【图文】：

2高载流子密度～ 1017e/cm2和载流子迁移率104cm2V 1s 1，然而该异型SrO/AlO2界面是绝缘的[11,12]。这是一个引人注目的结果，引起了许员对该体系的研究兴趣。S. Thiel等[13]发现LAO/STO异质结绝缘和导切换依赖于LAO的厚度。当LAO的厚度小于四个单胞层厚时（～1.6 表现为绝缘特性，只有当LAO层变得更厚时，，体系为导电的，这一结他研究所证实[14 16]，另外还发现该异质结的绝缘体-金属转变也可以由来调控。为了检验这种现象是否普遍，引发了设计其他基于STO的异质结，尤ott绝缘体和STO组成的异质结。Mott绝缘体为强关联电子体系，而且面可以出现在Mott绝缘体RTiO3（R为稀土离子）与STO组成的异质结RTiO3与STO有共同的TiO2单层。.1 Mott绝绝缘缘体体RTiO3钛酸盐化合物被认为是理解强关联电子系统中磁性和轨道耦合的关键材
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O485

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本文编号：2688357