超小尺度下的超大磁阻|空间限域的强关联效应

来源：中国科学杂志社

大规模集成电路遵循摩尔定律，并已发展40余年。随着单个器件尺度减小到纳米量级，量子隧穿和热效应等问题让传统硅基器件的发展陷入瓶颈（如图1a所示）。克服这一困难的途径之一就是开发新材料和新结构。最近研究人员揭示了锰氧化物在纳米尺度下的新奇现象及其应用潜力。

与此研究相关的论文题为“Spatial confinement tuning of quenched disorder effects and enhanced magnetoresistance in manganite nanowires”，出版在SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy（《中国科学：物理学 力学 天文学》英文版）2020年第3期，由复旦大学郁扬博士担任第一作者，郭杭闻副研究员、殷立峰教授和沈健教授担任共同通讯作者撰写。

作者利用微纳加工技术，将锰氧化物薄膜加工成一系列宽度从5 μm到50 nm的线结构。通过电输运测量并结合磁力显微镜，发现随着空间限域效应的引入，体系中的淬火无序效应变得极为显著。输运测量表明，淬火无序效应的增强使体系从一阶相变转变为二阶相变（如图1b和1c所示）。

图1  (a) 芯片的晶体管数量、运算速度和电子产品尺寸随年份的变化 [1]; (b) 100 nm锰氧化物纳米线形貌图 [2]; (c) 不同宽度纳米线淬火无序效应的电学输运表征 [2]

名词解释

在凝聚态物理学中，淬火无序效应通常是指材料体系中被“冻结”住的无序程度。最常见的淬火无序来源于晶格缺陷以及化学掺杂引入的外界原子，这些缺陷和外界原子通常无法移动。淬火无序效应对复杂氧化物具有重要意义。

广泛的理论研究表明，淬火无序效应在复杂电子体系中，如高温超导、庞磁阻等新奇的物理现象中扮演重要角色。然而，由于实验手段带来的复杂性，在实验中调控淬火无序效应也是相当复杂的。在以往的研究中，最常用的方法是在块体材料或薄膜材料中进行化学掺杂，用于调控材料的淬火无序度。但是，化学掺杂会同时带来化学环境、结构等的改变，进而掩盖了淬火无序效应在体系中的真正作用。 

该文介绍的研究工作利用先进的薄膜生长和微纳加工技术，证明空间限域的调控是调节复杂电子系统中淬火无序效应的有效方法。随着线宽的减小，淬火无序效应逐步主导纳米线的性质。与传统的化学掺杂方法相比，利用微纳加工技术具有明显优势，即系统内部的化学环境保持不变，从而为研究淬火无序效应及其对复杂氧化物性质的直接影响提供了一种独特而干净的方法。

这项研究还表明淬火无序效应对锰氧化物功能性的显著影响，制备成纳米线结构的锰氧化物磁阻高达820000%；相比于薄膜材料，其磁电阻增加了200倍，具有良好的应用前景。这项研究结果为调控其他复杂电子系统材料中的淬火无序效应提供了崭新途径，对实现这些材料的功能化和器件化具有重要意义。

该研究项目得到了国家重点研发计划(编号：2016YFA0300702)，上海市科委自然科学基金(编号：19ZR1402800，18JC1411400，18ZR1403200，17ZR1442600)，上海市优秀学术带头人计划(编号：18XD1400600，17XD1400400)，中国博士后科学基金(编号：2016M601488，2017T100265)的资助。

[1] M. M. Waldrop, Nature 530, 144 (2016).

[2] Y. Yu, Q. Li, Q. Shi, Y. Y. Zhu, H. X. Lin, H. Liu, H. Y. Chen, T. Miao, Y.Bai, Y. M. Wang, W. T. Yang, W. B. Wang, H. W. Guo, L. F. Yin, and J. Shen, Sci. China-Phys. Mech. Astron. 63, 237811 (2020).

文章信息：

Yang Yu, Qiang Li, Qian Shi, YinYan Zhu, HanXuan Lin, Hao Liu, HongYan Chen, Tian Miao, Yu Bai, YanMei Wang, WenTing Yang, WenBin Wang, HangWen Guo, LiFeng Yin, and Jian Shen. Spatial confinement tuning of quenched disorder effects and enhanced magnetoresistance in manganite nanowires. Sci. China-Phys. Mech. Astron. 63, 237811 (2020).