梯度界面人工晶体材料的异常量子效应探索及新材料设计

Interface engineered metamaterials have showed various interesting and important anomalous physical phenomena due to the break of crystal symmetry. Since the interaction and coupling dynamics among charge, spin, orbital, and lattice structure in the interface engineered metamaterial are totally different from the traditional crystal system, strain, polarization and spin interactions at the heterostructure interface will play a key role in governing their physical properties.The goals of this project is to explore their anomalous physical properties and dynamics induced by the composition gradient, strain gradient, artificial lattice and order/disorder oxygen vacancies in the heterostructures. The information achieved from this research will pave a new path for the design of new multifunctional materials. This project will develop the technologies to fabricate the composition gradient heterostructures and the high quality interface-controllable artificial lattice metamaterials in ferromagnetic and ferroelectric perovskites. The characterization and analysis of microstructures and physical properties will establish the principles of the interface microstructures dynamics and the modulation of the interface microstructure and physical properties. The composition gradient and interface design will pave the discovery of the anomalous physical phenomena, the modulation of multifunctionalities, and the physical principles. This project will provide theoretical and experimental foundation for the new interface engineered devices in energy conversion, information storage, and new sensors.

在人工晶体材料中，由于异质界面破坏了晶体的对称性，彻底改变了异质结构中的电荷、自旋、轨道、晶体点阵的相互作用，其晶体场、应力场、极化耦合、自旋交换等的相互作用都会发生质的变化，从而诱导出与块体材料极不相同的新奇物理现象。本项目以铁电、铁磁钙钛矿氧化物两大体系为研究对象，发展高质量界面可控的成份梯度异质结和人工晶格超结构制备技术，通过系统而精确的微结构分析表征和物性测量，掌握界面微结构演变规律，建立对界面微结构和异质结物性有效调控的科学数据库。从而利用对成份梯度控制和界面设计，实现新奇物理现象的研究和多功能的调控，探讨新奇物性的物理机制。

由于晶格、自旋、电荷、轨道四个自由度之间存在强烈的相互耦合作用，钙钛矿型过渡金属氧化物薄膜中出现了许多新奇的物理性质，使其在信息存储和逻辑器件以及能量转换器件等方面具有广泛应用前景。本项目以铁电、铁磁钙钛矿氧化物体系为研究对象，采用脉冲激光沉积技术，通过优化外延生长条件以及材料参数，设计和精确控制复杂钙钛矿氧化物薄膜的生长，发展了高质量氧化物异质结和人工晶格超结构制备技术。通过离子掺杂方法以及动态调控方法，如场调谐电化学技术以及离子液体注入手段，利用异质结界面的应力工程和界面工程，成功实现了对氧化物薄膜的物理化学以及机械性能的改性和调控。研究表明氧空位的含量会影响薄膜的微观生长机制，对薄膜材料的电导性以及磁性有显著的调控作用；利用材料的氧化还原过程可以动态地调控体系的氧含量，从而实现非易失性高低电阻态之间的相互转换。同时也证明了应力工程，包括机械应力以及由于氧浓度含量改变引起的化学应力，对于外延钙钛矿氧化物薄膜的结构和物性具有显著的调控作用。研究结果为在宏观尺度上理解界面氧空位动力学过程，以及在微观尺度下原位观测氧空位的动力学行为提供了直接并且非常重要的手段。本项目研究成果为过渡金属钙钛矿氧化物薄膜的生长-成分-结构-性能-应用关联提供了证明，对新奇物理现象和多功能调控进行了深入研究，并为探测氧的氧化还原和迁移扩散动力学过程在宏观和微观尺度上提供了新的途径。

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