【摘要】：在LaAlO_3(LAO)和SrTiO_3(STO)的界面處發(fā)現(xiàn)二維電子氣(2DEG)引起了人們對該體系以及鈣鈦礦氧化物異質結構廣泛的研究。然而2DEG出現(xiàn)的物理機制一直是激烈爭論的問題。目前,被廣泛引用的物理機制包括,界面處的極化不連續(xù)、氧空位、陽離子混合、襯底誘導的八面體畸變等。本文通過基于密度泛函理論的第一性原理計算研究了應變和氧空位對基于KTaO_3(KTO)表面與界面處二維載流子氣的調控,以及應變對基于Mott絕緣體YTiO_3(YTO)超晶格結構電子特性的調控。我們研究了面內(nèi)應變(-5～5%)對極性KTO表面處二維載流子氣的調控,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)。當在ab面內(nèi)施加拉伸應變時,2DEG和2DHG的位置沒有變化。然而隨著壓應變的增加,2DEG由頂部逐漸轉移到底部,2DHG由底部逐漸轉移到頂部。在這個過程中,當壓應變?yōu)?3～-4%時,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,這是因為隨著壓應變的增加,每個ab面內(nèi)的陰陽離子之間的相對位移沿c方向逐漸增加,導致陰陽離子之間的鐵電極化與極化原子層效應相互抵消。我們構建了由鐵磁半導體EuO和KTO組成的EuO/KTO超晶格結構模型,該結構包含兩個界面為TaO_2/EuO和KO/EuO。分別在兩個界面處的KTO層中取氧空位,計算結果發(fā)現(xiàn)由于界面處氧空位的存在,界面處會出現(xiàn)2DEG。由于Eu原子內(nèi)f-d軌道的耦合以及費米面處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0.18μ_B,但在KO/EuO界面處的2DEG的自旋極化接近于零。我們計算了面內(nèi)應變對YTO/STO超晶格的結構和電子態(tài)調控。發(fā)現(xiàn)當在面內(nèi)施加壓應變時,體系出現(xiàn)絕緣體-金屬轉變,對體系結構的分析發(fā)現(xiàn)體系從絕緣體到金屬的轉變伴隨著體系的結構相變。當在面內(nèi)施加拉伸應變時,體系沒有出現(xiàn)該轉變。另外,我們發(fā)現(xiàn)當減小U值時,體系也會出現(xiàn)相似的絕緣體-金屬的轉變。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)可以提升我們對此類氧化物表面和異質結構及其電子特性的認識。
【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]。這是一個引人注目的結果，引起了許員對該體系的研究興趣。S. Thiel等[13]發(fā)現(xiàn)LAO/STO異質結絕緣和導切換依賴于LAO的厚度。當LAO的厚度小于四個單胞層厚時（～1.6 表現(xiàn)為絕緣特性，只有當LAO層變得更厚時，，體系為導電的，這一結他研究所證實[14 16]，另外還發(fā)現(xiàn)該異質結的絕緣體-金屬轉變也可以由來調控。為了檢驗這種現(xiàn)象是否普遍，引發(fā)了設計其他基于STO的異質結，尤ott絕緣體和STO組成的異質結。Mott絕緣體為強關聯(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組成的異質結RTiO3與STO有共同的TiO2單層。.1 Mott絕絕緣緣體體RTiO3鈦酸鹽化合物被認為是理解強關聯(lián)電子系統(tǒng)中磁性和軌道耦合的關鍵材
【學位授予單位】：中國科學院大學(中國科學院物理研究所)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：O485

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本文編號：2688357