锰氧化物异质界面电子结构重构的第一性原理研究

【摘要】自从高温超导铜氧化物和庞磁电阻锰氧化物被发现以来，人们对多种过渡金属氧化物块材的性质已经有了比较深入的了解，尽管很多现象背后的物理基础仍然存在激烈的争议。随着材料制备技术的突飞猛进，人们开始利用过渡金属氧化物丰富的物性去设计新的氧化物器件。氧化物界面比半导体界面的物理更丰富，晶格、电荷、自旋和(或)轨道的重构可能会导致体材料中所不存在的性质。最近，人们对LaAlO3/SrTiO3界面进行了深入研究，发现了由于电荷转移而造成的二维电子气，甚至超导电性等性质。与钛基异质结相比，锰基异质结由于引入了磁性，其物理现象应该更加丰富，可以期待电荷转移所带来的自旋极化二维电子气。本论文基于第一性原理计算，系统研究了SrMnO3(001)和(111)表面上的磁性重构，以及基于SrMnO3的相关界面上所获得的高自旋极化的二维电子气。下面我们分四部分详细归纳所得主要结果：1.在SrMnO3本征的(001)MnO2表面，由于平移周期性破缺，表面和次表面上的Mn离子都出现dz2轨道占据，进而造成表面上的自旋反转，即表面内Mn离子反铁磁耦合，而表面与次表面间铁磁耦合。当表面氧空位浓度为25%时，表面和次表面上的Mn1离子都只有t2g轨道被占据，所以该位置层间仍是反铁磁耦合。而表面和次表面上的Mn2离子出现dz2轨道占据，该位置层间为铁磁耦合。这就造成25%表面氧空位浓度下特有的铁磁绝缘表面。当表面氧空位浓度增加到50%和75%时，表面上Mn离子的dx2y2轨道开始被占据，次表面仍是t2g和dz2轨道被占据。此时，表面也是自旋反转的。当表面氧空位浓度达到100%时，表面上Mn离子的五个3d轨道都被占据，而次表面上Mn离子，除了t2g和dz2轨道被占据外，dx2y2也开始被占据。此时,Mn离子之间超交换耦合机制起作用，由此得到G类反铁磁基态。外延应力对上述各种情况下的轨道占据和表面磁重构都没有影响。2.在nn型LaAlO3/SrMnO3超晶格中，LaAlO3中的极化电场驱动电子从(LaO)+层转移到SrMnO3中，并占据Mn的eg轨道，符合双交换耦合机制，从而造成nn型超晶格中的半金属铁磁性。在pp型超晶格中，LaAlO3中的极化电场使空穴从LaAlO3侧转移到SrMnO3侧，并基本平均分布在氧离子上。此时，Mn离子由于没有eg轨道占据而产生类似于体材料的G类反铁磁序。不过由于空穴的掺入，此类超晶格是金属性的。当通过外加磁场使体系变为铁磁态后，体系同时表现出电荷掺杂和空穴掺杂的特征，这表明该界面上出现了异常的磁输运性质。在np型超晶格中，随着MnO2层和LaAlO3厚度的变化，出现了复杂的磁有序。且随着LaAlO3厚度的增加，体系反铁磁基态和铁磁态之间的能量差逐渐减小，所以我们预测，在np型超晶格中，增加LaAlO3厚度，就有可能使体系的基态从反铁磁变为铁磁。同时，这些结果也表明，如果我们在np型超晶格中施加外磁场，就有可能实现庞磁电阻效应。进一步计算结果表明，对nn型超晶格界面来说，氧八面体畸变并不会改变其半金属电子态，而应力则因为会改变eg轨道的占据，从而影响基态磁结构。而对pp型和np型超晶格来说，应力会增强或减弱极化电场，从而影响到电荷转移，进而影响到基态磁构型。不过，氧八面体畸变不影响pp型超晶格的基态磁结构。而在np型超晶格中，引入氧八面体畸变后有助于增强Mn离子之间的铁磁耦合。3、在本征的以Mn为终端面的SrMnO3极性(111)表面上，由于极性灾难，表面上的Mn离子应该变为Mn2+，因此导致了(111)表面上不同的电子相。进一步研究发现，在n型LaAlO3/SrMnO3(111)超晶格中，由于SrMnO3和LaAlO3中同时存在强度不同的极化电场，导致Mn离子上不均匀分布的电子，占据eg轨道。进一步分析表明，这些电子来自于LaAlO3侧。与该体系的n型(001)超晶格类似，Mn离子之间通过双交换耦合，形成半金属铁磁性。增加SrMnO3层数，每个Mn离子的磁矩之和基本保持不变，说明转移过来的电子数是固定的常数。由于Mn的eg轨道被占据，该系统中的MnO6八面体出现旋转和倾斜。而对p型超晶格而言，SrMnO3和LaAlO3中同时存在的强度不同的极化电场使得空穴基本上是均匀分布于SrO3面和LaO3面的氧离子上，于是像体材料中那样产生G类反铁磁序，同时氧八面体基本上没有畸变。不过由于空穴的掺入，此类超晶格是金属性的。上述结果是基于SrMnO3展开的表面与界面的相关工作，这些异常的磁性质和电性质表明在锰氧化物表面和界面上出现了新颖特性，从而预示着这些体系在自旋电子学方面将有重要应用。
【作者】侯芳；
【导师】沈明荣；雎胜；
【作者基本信息】苏州大学，凝聚态物理，2013，博士
【关键词】异质界面；极性不连续性；电子结构重构；半金属；庞磁电阻效应；

【参考文献】
[1]郑建欣.拉扭载荷对轴类零件疲劳寿命的影响[D].兰州理工大学,机械制造及其自动化,2013,硕士.
[2]裴金榜.Ti、Mn对低合金高强钢热浸镀铝锌合金界面反应的影响研究[D].内蒙古科技大学,钢铁冶金,2013,硕士.
[3]林斌斌.铝土矿酸法溶出及溶出液制备活性氧化铝的研究[D].华东理工大学,化学工程,2014,硕士.
[4]俞渊.解释论视野下的产品售后义务研究[D].南京大学,民商法学,2013,硕士.
[5]王岩,奚洪民.界面聚合法制备纳米聚苯胺的研究进展[J].北华大学学报(自然科学版),2015,02:173-177.
[6]胡晓川.基于视频序列多目标跟踪系统设计与仿真[D].成都理工大学,电路与系统,2013,硕士.
[7]王柏林.无持续激励和严格正实条件的自适应控制系统[J].自动化学报,1990,04:317-324.
[8]孙玉肖.低碳视角下的区域产学研合作创新绩效评价及影响机理研究[D].中北大学,技术经济及管理,2014,硕士.
[9]胡渤.携氧血液替代品制备及应用的初步研究[D].第四军医大学,麻醉学,2004,硕士.
[10]刘艳.大学生志愿者道德人格特质的实证研究[D].华中科技大学,思想政治教育,2012,硕士.
[11]肖军.悬索桥施工控制精细化分析及程序实现[D].重庆交通大学,桥梁与隧道工程,2012,硕士.
[12]王羽丰.八味结肠汤治疗慢性结肠炎临床研究[D].吉林大学,中医内科临床（专业学位）,2013,硕士.
[13]王婷.胰高血糖素样肽-1类似物对人成骨细胞Wnt信号通路相关基因表达的影响[D].山西医科大学,内分泌学,2013,硕士.
[14]李凯.家庭农场发展对策研究[D].信阳师范学院,劳动经济学,2014,硕士.
[15]简冠群.高管薪酬对会计信息质量影响的研究[D].兰州商学院,会计学,2013,硕士.
[16]王荣娥.基于密度泛函理论的铁氧团簇Fe_nO（n=3-13）和Fe_nO_2（n=2-11）结构和电磁特性的研究[D].河北师范大学,凝聚态物理,2012,硕士.
[17]王江龙.自絮凝颗粒酵母酒精连续发酵并联产酵母工艺过程的研究[D].大连理工大学,生物化工,2004,硕士.
[18]郭宝宇.高职教师综合评分模型的研究[D].东北师范大学,应用数学,2012,硕士.
[19]黄仲良.磁电(ME)勘探线积分法测网的选择原则[J].石油地球物理勘探,1984,04:368-370.
[20]阿继凯.DMRG方法的发展及在一维扩展t-J模型中的应用[D].兰州大学,理论物理,2013,硕士.
[21]张亚湘.论《边境三部曲》对美国西部小说传统的继承与突破[D].南京师范大学,比较文学与世界文学,2012,硕士.
[22]杜铭硕.分子水平上调控细胞粘附和分离体系的构建[D].华中科技大学,生物工程,2013,硕士.
[23]李婧婷.弹性超声在甲状腺结节诊断中的应用[D].吉林大学,外科学,2013,硕士.
[24]张瑞强.中国羊肉产业国际竞争力现状评价、影响因素与政策建议[D].内蒙古大学,工商管理,2013,硕士.
[25]马同辉.基于GLuc新型抗体检测技术的建立[D].吉林大学,生物化学与分子生物学,2014,硕士.
[26]张蕴潇.伊金霍洛旗土壤侵蚀强度与土地利用适宜性评价分析[D].内蒙古农业大学,土地资源管理,2012,硕士.
[27]赵盼盼.电压模式PFM升压DC-DC转换器设计[D].哈尔滨工业大学,微电子学与固体电子学,2014,硕士.
[28]秦凡.中国国有商业银行风险预警指标体系研究[D].武汉理工大学,国际贸易学,2003,硕士.
[29]罗宿星,张红雅,伍远辉,张飞.氧化石墨烯修饰玻碳电极快速检测香菇中多菌灵[J].食品工业科技,2012,18:73-74+78.
[30]钱文.轻度智力落后儿童传递性推理能力的干预训练：ATI模型[D].华东师范大学,2004.
[31]鹿小燕.某聚合物仓库扩建工程防火分区研究[D].北方工业大学,结构工程,2014,硕士.
[32]孙瑞方.基于KMV模型的我国商业银行信用风险度量[D].天津财经大学,金融学,2012,硕士.
[33]陈威.芳纶平纹织物的表面改性及其防刺特征研究[D].北京理工大学,2014.
[34]刘晓娟.中国民主发展中的网络民主研究[D].天津商业大学,马克思主义基本原理,2013,硕士.
[35]胡琅琳.不同频率电针“内关”对心肌缺血模型大鼠相关经穴皮肤血流量与相关分子（NOS/NO/CaM）变化的研究[D].北京中医药大学,针灸推拿学,2013,硕士.
[36]张晓红.容错技术在计算机网络系统中的应用[D].哈尔滨工程大学,2003.
[37]王瑞华.基于MATLAB的ABS主观评价系统客观化的研究和软件开发[D].燕山大学,车辆工程,2014,硕士.
[38]张子豪.A煤矿中层管理人员绩效考核研究[D].安徽大学,工商管理,2014,硕士.
[39]杨利俊.朱熹《大学章句》德育思想对中学德育的启示[D].苏州大学,学科教学（专业学位）,2012,硕士.
[40]寇小君.基于组织间成本管理的组织间管理控制系统研究[D].江苏科技大学,会计学,2014,硕士.
[41]林长华.湖南WY实业有限公司核心竞争力定位研究[D].湖南大学,2003.
[42]魏桂民.马铃薯SGAs合成末端酶基因5′侧翼序列克隆及鉴定[D].甘肃农业大学,作物遗传育种,2013,硕士.
[43]蒋波.商业银行信息化建设策略探讨[D].电子科技大学,2004.
[44]刘茹.基于土-水特征曲线的黄土压缩特性试验研究[D].长安大学,地质工程,2014,硕士.
[45]金丹.超声斑点追踪技术评价左向右分流先天性心脏病心脏扭转功能的临床研究[D].华中科技大学,影像医学与核医学,2013,硕士.
[46]杨迎春.基于IEC 61850通信电源监控网关的研究与实现[D].华北电力大学,电子与通信工程（专业学位）,2012,硕士.
[47]李明.大学生网络道德建设[D].浙江财经学院,伦理学,2013,硕士.
[48]宋洋.文化创意产业上市公司资本结构与经营绩效关系研究[D].东北师范大学,金融学,2012,硕士.
[49]孙菁.山东省高等教育竞争力实证研究[D].山东财经大学,教育经济与管理,2014,硕士.
[50]乐永强.货币危机与人民币汇率制度选择研究[D].江西财经大学,金融学,2004,硕士.