氧化物表面与界面的新奇性质研究

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1、氧化物表面与界面的新奇性质研究杨芳郭建东基于量子力学能带理论发明的晶体管奠定了整个现代电子工业的基础，引领人类进入信息时代。传统微电子工业的持续发展，依赖于器件功能单元的微型化和集成化，著名的摩尔定律描述了微电子产业的发展趋势。集成电路芯片上所集成的电路的数目，每隔18个月就翻一番；但是电子器件的尺寸趋近材料的某种量子特征长度时，整个器件将显现出崭新的激发、弛豫和输运等行为。比如当金属微粒的尺寸足够小时（与周围外界之间的电容小到－1610F的量级），一旦某个电子隧穿进入了金属微粒，它将阻止随后的第二个电子再进入同一金属微粒，因为这样的过程将导致系统总能量的增加，所以是不允许发生的。这就是库

2、仑阻塞现象。库仑阻塞效应会使得颗粒状金属电阻随温度下降表现出反常的增加行为。因此，随着微电子产业的发展走近摩尔定律的量子极限，人们亟需发展新的电子器件概念。另一方面，人们对单个器件性能的要求也越来越高，期望开发出能够探测、响应、处理或者发图1ABO3晶体结构示意图。上图标出立方单胞射电学、光学、磁学等不同物理信号的全新器件。传统的半导体材料物理性质较为单一，显然无法满其内部还可能存在晶格、电荷、自旋和轨道等多种足这种要求。自由度。譬如含有锰的氧化物La5/8－0.3Pr0.3Ca3/8MnO3过渡金属氧化物（TransitionMetalOxide,中，正负电荷按照一定的方向有序排列（电荷

3、有序），TMO），即含有过渡金属的氧化物，具有非常丰富铜氧化物高温超导体中磁矩呈反平行有序排列（反的优异性质。钙钛矿型晶体结构是TMO材料的常铁磁有序）等。这些自由度之间存在很强的相互作见结构，也是多元TMO材料形成的最简单结构。用，使体系形成一系列能量相近的低能激发态甚至钙钛矿材料理想配比的化学式可表示为ABO3，其是相互竞争的基态，从而在外场、掺杂等的作用下中A和B为金属（至少B为过渡金属），O为氧；呈现出丰富可控的物理性质，如铁电、铁磁、庞磁金属化合价的总和等于+6，即A与B的价态可为电阻和超导电性等。正是由于TMO材料具有这种复2+4+3+3+A/B或A/B等。钙钛矿结构基本单元是

4、具有面杂的功能特性，人们期望通过对其结构、成分等的心的立方结构，如图1所示，立方结构的顶角由A设计，将电学、光学、磁学等完全不同物理性质的离子占据，体心由B离子占据，六个面心则由O离材料复合、集成在一起，实现对多种量子态的操纵子占据。这些氧离子形成氧八面体，B离子处于其和探测，从而开发出具有全新性能的新型材料和器体心。因此整个晶体还可以描述成由BO6八面体共件，为信息工业的发展提供新的机遇。更为重要的顶点联接而成，八面体之间的空隙被A离子占据。是，在TMO材料表面、异质界面上或者纳米结构中，沿单胞中的棱方向，钙钛矿晶体结构还可以视作由由于三维晶格网络的平移对称性被打破，维度降低，AO层和B

5、O2层交替堆积构成。而相应的特殊电子态被限制在尺度小于电子平均自TMO材料具有比锗、硅复杂得多的晶体结构，由程的体系中，因而常常表现出奇异的、与体材料24卷第1期(总139期)·51·的行为特征相关却又截然不同的新奇现象或效应，TMO材料异质界面上奇特的“演生”现象也我们称之为“演生”现象（emergentphenomenon）。与其原子尺度上的结构有密切关系。2004年，美国正如诺贝尔物理学奖获得者赫伯特·克罗默（Herbert贝尔实验室的黄（H.Y.Hwang）和合作者发现，在Kroemer）所说的，“器件就是界面”，他强调，现在两种绝缘体SrTiO3和LaAlO3的界面上可以形成高基

6、本所有的半导体器件都是依赖于其界面物理特迁移率的导电层。如图3所示，他们将LaAlO3外延性，而不是依赖于其体材料的性质。因此，对于复生长在SrTiO3衬底上，而SrTiO3衬底的原子结构是杂过渡金属氧化物表界面的研究，将推动氧化物电由TiO2和SrO原子层交替堆积而成的。如果外延界子学的发展，引领下一个技术革命的到来。正因为面由TiO2原子层截止，生长得到的LaAlO3/SrTiO3如此，这方面的工作也被称为“超越硅材料”界面就是金属性的，而如果外延界面由SrO原子层（BeyondSilicon），入选到美国《科学》杂志评出截止，则LaAlO3/SrTiO3界面仍然是绝缘性的。随的200

7、7年十大科学进展。研究表明，TMO材料晶格结构在原子尺度的微小变化，往往引起电子的电荷、自旋以及轨道自由度的剧烈响应，引发极其丰富的电子学性质。比如在Ca2－xSrxRuO4中，随着x取值不同，具有相同价2+2+态的碱土金属离子Ca和Sr相互替代，引起RuO6八面体不同程度的畸变、旋转或倾斜。这种晶格结构（自由度）的改变引起电子态灵敏的响应，随着掺杂浓度（x值）的变化产生不同的电荷、自旋或者轨道有序状态，诱导Mott绝缘