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工程异质结构或由复合氧化物材料制成的分层材料是新兴技术现象

工程异质结构或由复合氧化物材料制成的分层材料是新兴技术现象和应用的丰富来源。材料科学家的目的是通过将氧化物钙钛矿与含有不同晶体学性质的基材界面连接,以开发一种新材料的功能,而该途径尚待探索。在一份新的报告中,Camilo X. Quintela和美国,挪威,中国和韩国的材料科学,物理学和工程学国际组织为基于氮化物抗钙钛矿的材料设计提出了前所未有的方向和氧化物钙钛矿晶体。在这项工作中,他们成功地将两种钙钛矿和抗钙钛矿晶体材料层叠在一起,从而创建了具有独特电学性质的界面,可用于新型量子材料中。

在实验过程中,Quintela等。在表示为Mn 3 GaN的氮化物抗钙钛矿和氧化物钙钛矿之间形成了尖锐的界面,例如(La 0.3 Sr 0.7)(Al0.65 Ta 0.35)O 3和钛酸锶(SrTiO 3)。然后,使用光谱技术和第一性原理计算,他们注意到两个抗结构之间的相干界面单层融合,并且出人意料地介导了抗钙钛矿 / 钙钛矿异质界面超出了理论预测。结果将有助于在接口上为超低功耗应用开发令人兴奋的新特性。自旋电子器件,例如晶体管,存储芯片和存储设备。该研究成果现已发表在《科学进展》上。

钙钛矿晶体通常是带有正负电荷离子的氧化物,具有良好的光学,磁性和电学性质。在抗钙钛矿中,带正电和带负电的离子的位置被翻转,以创建另一类与钙钛矿具有不同特性的材料。抗钙钛矿材料是具有钙钛矿晶体结构的金属间材料,与氧化物钙钛矿类似物一样,它们显示出各种可调的物理特性,包括超导性,铁磁性,磁阻和拓扑电子行为。在这种抗钙钛矿材料中,过渡金属基氮化物表示为M 3XN,其中M等于过渡金属和X等于金属或半导体元件,是特别有趣,具有高灵敏度,以磁场,温度或压力。这种材料的敏感性是由于M 3 XN化合物具有很强的自旋-晶格偶合特性,可以通过应变工程对其进行调节或操纵。此外,科学家已经使用ABO 3氧化物钙钛矿的物理特性作为外部触发来调整抗钙钛矿材料的功能。ABO 3化合物是与M 3结合的无与伦比的材料系统XN氮化物抗钙钛矿由于其类似的结构,可促进外延生长(将异种材料组装成单个膜)。为了探索原子级的外延,Quintela等。研究了氮化物抗钙钛矿和氧化物钙钛矿材料的界面结构和化学性质。

开发和表征氮化物抗钙钛矿/氧化物钙钛矿的界面

在这项工作中,Quintela等。在(La 0.3 Sr 0.7)(Al0.65 Ta 0.35)O 3(缩写为LSAT)和钛酸锶单晶衬底上制备了高质量的Mn 3 GaN膜作为M 3 XN / ABO 3界面的范例。他们使用X射线衍射(XRD)对在LSAT衬底上生长的60 nm厚的Mn 3 GaN膜进行结构表征,并使用反射高能电子衍射(RHEED)监测膜的外延生长和单相结构。结果显示了膜的高结晶质量和原始界面。

为了了解Mn 3 GaN / LSAT界面的结构和化学组成,Quintela等人(美国)。结合了原子分辨率扫描透射电子显微镜(STEM),电子能量损失谱(EELS)和能量色散X射线谱(EDS)。第一界面Mn 3 GaN单层显示出亮点和暗点交替的图案,以指示界面处的成分或结构重新配置。使用模拟和结构化学分析,研究小组显示了从LSAT底物到Mn 3的转变通过尖锐的界面单层介导的GaN膜。为了确定这种界面单层的原子结构,Quintela等人。进行了另外的STEM和EDS研究,并显示了具有旋转对称性的二维(2-D)周期性结构中的原子顺序。

第一性原理计算

该小组进行了第一性原理计算,以研究源自原子分辨率实验的界面模型的稳定性。他们使用模拟来计算地层能量以测试稳定性,并确认界面模型在能量上是稳定的。然而,其他工作表明实验研究和理论研究之间存在明显差异,科学家认为这是由于Mn 3的产生GaN在存在能垒的情况下生长,在这种情况下,差异使系统无法从局部最小能量释放到全局最小能量。Quintela等。在他们的工作中进一步探讨了这一假设。组合的实验和理论研究表明,界面单层如何作为钙钛矿基质和抗钙钛矿膜之间的结构桥,从而在具有不同化学组成和结合力的非同质(晶体结构不同)材料之间建立异质外延。

这样,Camilo X. Quintela和他的同事们首次实现了原子锐利的桥接结构,作为氮化物抗钙钛矿和氧化物钙钛矿之间的外延界面。这项工作是使用具有不同晶体化学性质的材料开发新型外延异质结构的关键步骤。设计新型异质界面的潜力为操作界面物理性质和建立新的物质状态提供了一个令人兴奋的场所。由于这些材料具有广阔的量子势能,其中包括反铁磁自旋电子学因此,抗钙钛矿和钙钛矿的外延异质结构的合理设计对于性能调节和功能器件设计至关重要。团队预想,该策略将为材料设计和工程开辟新的令人兴奋的篇章。

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