LaAlO 3 /SrTiO 3 异质结构界面电子结构的第一性原理研究

发布时间：2020-12-07 04:42

　　具备丰富化学组分和结构相的钙钛矿过渡金属氧化物展现出了众多新奇复杂的物性,一直以来备受物理学家关注。钙钛矿氧化物界面处电荷或空间对称破缺导致的晶格或电子重构,导致产生其同组分块体材料可能都不具备的各种新奇物性。相比于单界面体系,氧化物超晶格结构体系内的高界面的比重将引入额外的复合结构特性,从而展现出单界面异质结体系可能无法实现的复杂物性。因此理解、预测和调控氧化物超晶格体系的物理性质显得尤为重要。目前,在基础物理理解方面,氧化物LaAlO₃/SrTiO₃异质结界面准二维电子气的起源还有争议,特别是离子弛豫在其中扮演的角色不是特别清楚;在物性调制方面,需要不断探索新的、有效的调控策略,为其应用服务。本论文主要针对上面两个方面展开。基于密度泛函理论,利用第一性原理计算方法,（1）为寻找不同于施加外部力场的新的调控体系自由电荷性质的方式,我们提出通过在指定界面人为引入离子混杂缺陷可构造LaAlO₃/SrTiO₃（001）界面合金结构。在离子混杂缺陷占比低于25%,可实现将自由电子局限在指定界面处单原子层内... 

【文章来源】：华东师范大学上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：107 页

【学位级别】：博士

【部分图文】：

理想立方钙钛矿结构

上述晶格畸变通常也伴随有氧八面体扭转,对此,Glazer[18]建立了一套基于对称性来描述氧八面体扭动的标记方法:BO6氧八面体绕赝立方晶轴[100]、[010]和[001]倾斜程度的不同分别用a、b和c来表示。并发现如果选取了任一晶轴,那么垂直于这一晶轴方向的相邻氧八面体的转动方向一定是相反的,用“-”表示;如果相邻氧八面体转动方向相同,则用“+”号表示;若氧八面体没有转动,用“0”表示。氧八面体扭转同时导致了B-O-B键夹角的减小,这对钙钛矿氧化物磁性和输运性质有明显影响:对于稀土镍酸(RNiO3)盐钙钛矿氧化物[19,20],Ni-O-Ni夹角的减小伴随着一阶金属绝缘性相变;而锰氧化物中磁性超交换作用也有赖于Mn-O-Mn夹角,影响Mn3+和Mn4+离子之间电子跃迁几率[21]。1.2.2 Jahn-Teller畸变

轨道简并的结构通常都会发生Jahn-Teller畸变,进一步退简并。B位过渡金属元素的d电子轨道在球形场中本来是五重简并,而在氧八面体构成的晶体场中将劈裂成能量较低的三重简并t2g轨道(dxy、dyz和dzx),以及能量较高的二重简并的eg轨道,如图1.2所示。而氧八面体畸变致使体系对称性降低,也必定会进一步完全或部分解除轨道简并度,导致有些轨道能级升高,部分轨道能级降低。以Mn3+为例,根据洪特定则,总自旋量子数取最大,即电子构型为d4高自旋态,因此其中3个电子占据能量较低的t2g轨道,另外一个电子占据能量较高的双重简并eg轨道。而Jahn-Teller效应导致氧八面体畸变使eg轨道退简并变为轨道,如果是对称性降低为四方压缩,eg轨道将劈裂成轨道能量变得更高的轨道和能量降低的轨道,电子优先占据轨道,因此体系能量降低,如图1.3(a)。如果体系d轨道是满占据的,例如图1.3(b)所示为d5高自旋态,那么Jahn-Teller畸变将不会改变体系总能。1.3 过渡金属钙钛矿氧化物基本物性


本文编号：2902644