【材料】氧化物界面电子基态的调控

氧化物电子学及自旋电子学近年来引起世界范围的广泛关注。类似于Si在半导体电子学中的作用，钛酸锶单晶（SrTiO3）广泛认为是氧化物电子学的基础材料。基于SrTiO3异质结中的二维电子气，由于其在磁、光、电、热等方面表现出丰富的新奇性质，一直是近十几年来氧化物电子学中的研究热点，其中之一当属发现于SrTiO3与另一绝缘体LaAlO3界面处的高迁移率二维电子气。长期以来，这一体系中高载流子浓度伴随的复杂电子结构使其物理性质对外界电场调节不敏感，从而使探索不同的电子基态及制备高性能的场效应管成为难题。近日，丹麦技术大学陈允忠教授带领的团队通过引入磁性电子井实现了对LaAlO3/SrTiO3界面电子结构的有效调节，观察到费米面的Lifshitz转变（电子从只占据一个能带到同时占据两个能带的转变点）和界面金属绝缘体转变，并诱导出二维界面磁性。

图1. (a) LaAl1-xMnxO3/SrTiO3 (LAMO/STO, 0 ≤ x ≤ 1) 结构与能带示意图；(b) 二维氧化物导电界面超导与磁性相图

陈允忠教授带领的团队经过长期而系统的研究，发现在导电界面处加入锰氧化物可以有效降低载流子浓度，锰氧化物提供了一个能量低于SrTiO3导带的空带，该空带充当了一个禁锢电子的能量势井，如图1（a）。此外，作者还揭示了SrTiO3上外延生长的LaMnO3薄膜呈铁磁性的物理本质。结合这些前期发现，该团队通过调控LaMnO3在LaAlO3中的掺杂浓度x，调控电子井的容量与磁性，实现了对该二维导电界面电子结构的有效调节，观测到SrTiO3异质结界面的5种不同基态，见图1（b）。（1）当费米面高于Lifshitz转变点时， dxy 和dxz/yz 轨道同时被电子占据，表现出双载流子特性。并且，界面在低温（300 mK以下）表现出超导现象。（2）当费米面降至Lifshitz转变点以下，电子全部分布在dxy 轨道；超导转变温度在Lifshitz转变点达到最高值。（3）随着载流子浓度进一步降低至1.1×1013 cm-2，界面出现反常霍尔效应，并随着载流子浓度的下降而增强，同时界面也保持超导行为。（4）当载流子浓度低于7.9×1012 cm-2时，超导现象消失，仅表现出反常霍尔效应。（5）最后，载流子浓度低于2.9×1012 cm-2 时，界面迅速变成绝缘态。此外，实验表明，当只有dxy 轨道被占据时，随着Mn浓度的升高，载流子浓度下降，电子迁移率得到了极大的提升，表明锰氧化物电子井可以有效禁锢低迁移率的载流子。

该研究为进一步探索不同电子结构下二维电子气的性质，特别是自旋极化的二维电子气，提供了一个有效的途径；此外，在超导界面上，利用磁近邻效应诱导出磁性界面的方法为探索和理解超导铁磁共存这一新奇现象背后的物理本质提供了新的实验证据。该成果被选为杂志封面，并于近期发表在Advanced Materials 上，陈允忠教授指导的博士生甘渝林为第一作者。

该论文作者为：Yulin Gan, Dennis Valbjørn Christensen, Yu Zhang, Hongrui Zhang, Dileep Krishnan, Zhicheng Zhong, Wei Niu, Damon James Carrad, Kion Norrman, Merlin von Soosten, Thomas Sand Jespersen, Baogen Shen, Nicolas Gauquelin, Johan Verbeeck, Jirong Sun, Nini Pryds, Yunzhong Chen