物理系于浦课题组在钴酸锶磁电性质应力调控研究中取得进展


在过渡金属氧化物中,由于晶格、电荷、轨道和自旋自由度间的耦合关联作用,使得可以通过对单一自由度的控制实现材料物性的有效调控。而对于外延薄膜体系,薄膜与衬底间的晶格不匹配性形成外延应力,从而能够通过晶格自由度调控实现新型铁电、铁磁、多铁、超导等诸多新奇物理现象。最近,在众多的氧化物体系中,钙钛矿SrCoO3(钴酸锶)由于其有趣的铁磁金属基态,以及近期理论预言的应力调控下的磁电演化行为,吸引了研究者的广泛关注。虽然人们在低应力薄膜中观测到了一致的铁磁金属行为,但对高拉伸应力薄膜的本征物性却存在着众多分歧。这主要归结为拉伸应力通常伴随着氧缺陷形成能的显著降低,意味着具有高拉伸应力的薄膜通常含有明显的氧缺陷浓度,从而严重阻碍了对其本征物性的探索。

近期,物理系于浦课题组借助他们在氧化物外延薄膜制备、调控的研究积累,通过非原位臭氧退火的方法,成功实现了大规模外延应力下高质量钴酸锶薄膜的制备。他们发现不同应力下的高质量钴酸锶薄膜均表现出顽强的铁磁性,与之前研究报道和理论预言的应力调控下铁磁到反铁磁的相变形成了鲜明的对比。进一步地,他们还发现在高应力样品中,虽然长程铁磁序得以保持,但拉伸应力诱导出显著的金属到绝缘体相变。该结果意味着拉伸应力薄膜的磁性起源将迥异于金属性体材料中巡游电子主导的双交换模型,而将与材料中的局域电子密切相关。最终,他们提出了局域电子超交换作用主导的铁磁机制,很好地解释了高应力调控下钴酸锶铁磁绝缘特性的起源,从而为应力调控下钴酸锶薄膜本征物性的长期争论画上了句号。


图:应力调控作用下钴酸锶薄膜表现出的铁磁金属到铁磁绝缘体的相变


这项工作不仅进一步突出了应力调控手段在过渡金属氧化物研究中的重要地位,而且也显示出氧离子的精确调控在氧化物材料功能物性研究领域中不可忽略的重要意义。该工作以“Robust ferromagnetism in highly strained SrCoO3 thin films”为题于2020年5月7日发表在Physical Review X。清华大学物理系博士生王宇佳为文章第一作者,清华大学于浦教授、英国杜伦大学何清教授以及美国橡树岭国家实验室Satoshi Okamoto博士为文章的共同通讯作者;该工作还得到了来自中科院物理所、日本筑波大学、美国劳伦斯伯克利国家实验室、日本理化学研究所、日本东京大学等合作者的大力支持。该研究受到了国家自然科学基金委员会、科技部、清华大学低维量子物理国家重点实验室和北京未来芯片技术高精尖创新中心的资助。

文章链接:https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.10.021030