【摘要】：在LaAlO_3(LAO)和SrTiO_3(STO)的界面處發(fā)現(xiàn)二維電子氣(2DEG)引起了人們對(duì)該體系以及鈣鈦礦氧化物異質(zhì)結(jié)構(gòu)廣泛的研究。然而2DEG出現(xiàn)的物理機(jī)制一直是激烈爭(zhēng)論的問(wèn)題。目前,被廣泛引用的物理機(jī)制包括,界面處的極化不連續(xù)、氧空位、陽(yáng)離子混合、襯底誘導(dǎo)的八面體畸變等。本文通過(guò)基于密度泛函理論的第一性原理計(jì)算研究了應(yīng)變和氧空位對(duì)基于KTaO_3(KTO)表面與界面處二維載流子氣的調(diào)控,以及應(yīng)變對(duì)基于Mott絕緣體YTiO_3(YTO)超晶格結(jié)構(gòu)電子特性的調(diào)控。我們研究了面內(nèi)應(yīng)變(-5～5%)對(duì)極性KTO表面處二維載流子氣的調(diào)控,由于沿(001)方向極化交替的(KO)~-...(TaO2)~+原子層,我們觀察到KTO表面體系的頂部和底部分別出現(xiàn)2DEG和二維空穴氣(2DHG)。當(dāng)在ab面內(nèi)施加拉伸應(yīng)變時(shí),2DEG和2DHG的位置沒(méi)有變化。然而隨著壓應(yīng)變的增加,2DEG由頂部逐漸轉(zhuǎn)移到底部,2DHG由底部逐漸轉(zhuǎn)移到頂部。在這個(gè)過(guò)程中,當(dāng)壓應(yīng)變?yōu)?3～-4%時(shí),2DEG和2DHG消失,體系表現(xiàn)出絕緣特性,帶隙分別為0.53～1.40 eV,這是因?yàn)殡S著壓應(yīng)變的增加,每個(gè)ab面內(nèi)的陰陽(yáng)離子之間的相對(duì)位移沿c方向逐漸增加,導(dǎo)致陰陽(yáng)離子之間的鐵電極化與極化原子層效應(yīng)相互抵消。我們構(gòu)建了由鐵磁半導(dǎo)體EuO和KTO組成的EuO/KTO超晶格結(jié)構(gòu)模型,該結(jié)構(gòu)包含兩個(gè)界面為T(mén)aO_2/EuO和KO/EuO。分別在兩個(gè)界面處的KTO層中取氧空位,計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)由于界面處氧空位的存在,界面處會(huì)出現(xiàn)2DEG。由于Eu原子內(nèi)f-d軌道的耦合以及費(fèi)米面處Ta的d軌道與Eu的d軌道雜化,在TaO_2/EuO界面處的二維電子氣會(huì)出現(xiàn)自旋極化,最接近界面的TaO_2層中的Ta原子成鐵磁排列,磁矩值高達(dá)0.18μ_B,但在KO/EuO界面處的2DEG的自旋極化接近于零。我們計(jì)算了面內(nèi)應(yīng)變對(duì)YTO/STO超晶格的結(jié)構(gòu)和電子態(tài)調(diào)控。發(fā)現(xiàn)當(dāng)在面內(nèi)施加壓應(yīng)變時(shí),體系出現(xiàn)絕緣體-金屬轉(zhuǎn)變,對(duì)體系結(jié)構(gòu)的分析發(fā)現(xiàn)體系從絕緣體到金屬的轉(zhuǎn)變伴隨著體系的結(jié)構(gòu)相變。當(dāng)在面內(nèi)施加拉伸應(yīng)變時(shí),體系沒(méi)有出現(xiàn)該轉(zhuǎn)變。另外,我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)減小U值時(shí),體系也會(huì)出現(xiàn)相似的絕緣體-金屬的轉(zhuǎn)變。因此,這種絕緣體-金屬相變的控制參數(shù)為U/W的比值。以上這些發(fā)現(xiàn)可以提升我們對(duì)此類(lèi)氧化物表面和異質(zhì)結(jié)構(gòu)及其電子特性的認(rèn)識(shí)。
【圖文】：

2高載流子密度～ 1017e/cm2和載流子遷移率104cm2V 1s 1，然而該異型SrO/AlO2界面是絕緣的[11,12]。這是一個(gè)引人注目的結(jié)果，引起了許員對(duì)該體系的研究興趣。S. Thiel等[13]發(fā)現(xiàn)LAO/STO異質(zhì)結(jié)絕緣和導(dǎo)切換依賴(lài)于LAO的厚度。當(dāng)LAO的厚度小于四個(gè)單胞層厚時(shí)（～1.6 表現(xiàn)為絕緣特性，只有當(dāng)LAO層變得更厚時(shí)，，體系為導(dǎo)電的，這一結(jié)他研究所證實(shí)[14 16]，另外還發(fā)現(xiàn)該異質(zhì)結(jié)的絕緣體-金屬轉(zhuǎn)變也可以由來(lái)調(diào)控。為了檢驗(yàn)這種現(xiàn)象是否普遍，引發(fā)了設(shè)計(jì)其他基于STO的異質(zhì)結(jié)，尤ott絕緣體和STO組成的異質(zhì)結(jié)。Mott絕緣體為強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子體系，而且面可以出現(xiàn)在Mott絕緣體RTiO3（R為稀土離子）與STO組成的異質(zhì)結(jié)RTiO3與STO有共同的TiO2單層。.1 Mott絕絕緣緣體體RTiO3鈦酸鹽化合物被認(rèn)為是理解強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子系統(tǒng)中磁性和軌道耦合的關(guān)鍵材
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院物理研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：O485

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