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关于EuO/KTaO3二维电子气高迁移率自旋极化的报告

讲座时间：2018年9月15日

讲座地点：大连理工大学西部校区综合教学楼二号楼B403报告厅

单位及主讲人：中科院物理所，孙继荣老师

讲座内容：High-mobility spin-polarized two-dimensional electron gases at EuO/KTaO3 interfaces

近年来，氧化物界面处的二维电子气体引起了越来越多的关注。虽然之前的工作大都集中在LaAlO3/SrTiO3界面上的二维电子气体，但在这里报道了在磁性绝缘体EuO和钙钛矿KTaO3之间形成二维电子气体。二维电子气体不仅具有高导电性，在2 K下，最大霍尔迁移率为111.6 cm2/Vs，而且自旋极化良好，显示出高达25 K的强滞后磁阻，以及高达70 K的反常霍尔效应。捕获二维电子气体的滞后行为与EuO层之间的明确对应关系，表明二维电子气对EuO层的邻近效应。密度泛函理论计算的结果证实了这一点：通过层间交换，EuO使相邻的TaO2层为铁磁态。本工作为探索氧化物界面上高性能自旋极化二维电子气体开辟了新的途径。

1  LaAlO3/SrTiO3界面二维电子气

与由s-和p-轨道电子形成的传统二维电子气体不同，LaAlO3/SrTiO3二维电子气体由3d电子组成。提供了建立磁性二维电子气体的宝贵机会，这对于自旋电子学而言至关重要。X射线磁性圆二色性分析表明界面磁性的出现。通过异常霍尔效应(AHE)，磁阻(MR)和磁化也捕获了长程磁序的特征。

由于LaAlO3和SrTiO3的非磁性，界面磁性通常很弱并且在非常低的温度下出现。尽管已经广泛报道了负磁阻和各向异性磁阻，但是LaAlO3/SrTiO3界面很少观察到磁滞。当霍尔迁移率较低时，唯一的迟滞磁阻出现在极低温度(<0.4 K)。 虽然夹在两个磁性GdTiO3层之间的SrTiO3层可以通过磁邻近效应被磁化，但是仅当SrTiO3薄至1 nm时才出现磁性。因此，探索获得高性能自旋极化二维电子气体的新方法仍然具有挑战性。

2 基于KTaO3的二维电子气

除了基于SrTiO3的二维电子气体之外，还有一种重要的电子气体种类，几乎没有研究过，即二维电子气体位于KTaO3中。双层界面上唯一报道的二维电子气体是LaTiO3/KTaO3和非晶LaAlO3/KTaO3。尽管KTaO3与SrTiO3具有许多特性，例如高介电常数和量子顺电性。但KTaO3与SrTiO3不同，是具有强自旋-轨道耦合的5d过渡金属氧化物。KTaO3可能更容易受到磁邻近的影响，因为5d电子比3d电子更远。

3  EuO/KTaO3二维电子气

磁邻近效应可用于产生驻留在KTaO3中的良好自旋极化二维电子气体，通过精心控制KTaO3上EuO层的外延生长。其中EuO与GdTiO3/SrTiO3/GdTiO3或LaAlO3/EuTiO3/SrTiO3中的GdTiO3或EuTiO3层有相同的作用，成功地实现了高性能二维电子气体，不仅具有高导电性，而且具有良好的自旋极化，表现出高达25 K的强滞磁阻和高达70 K的异常霍尔效应，而LaAlO3/SrTiO3界面仅为0.4和10 K。观察到二维电子气体的磁性行为与EuO膜之间的强相关性。Eu原子从KTaO3的表层吸收氧气，形成EuO相，在KTaO3中产生氧空穴。当氧空位含量足够高时，KTaO3界面层会出现金属二维电子气体。

在EuO/TaO2界面处，第一单层中的两个Ta原子与最近邻EuO单层中的两个O原子键合，键长分别为1.90和2.03 Å，使EuO 5d轨道在该EuO单层中略微变化占据费米能级。由于d-f轨道交换相互作用，该EuO层中的Eu 5d态自旋极化。由于Eu-5d轨道和Ta-5d轨道杂化，这导致相邻TaO2中的第5d态的低温化。根据这些结果，很明显可以得出结论：磁性EuO在EuO/TaO2界面处可以诱导铁磁有序。之后对EuO/KO界面进行了类似的计算，观察到虽然EuO/KO界面导电，但Ta 5d态没有自旋极化。

4 总结

通过在KTaO3晶体上生长绝缘EuO外延膜，获得了自旋极化二维电子气体。 此二维电子气体不仅具有高导电性，而且还具有良好的自旋极化，显示出明显滞后磁阻以抵抗磁循环和反常霍尔效应。反常霍尔效应推导出的居里温度是70 K，这是类似方法确定的非磁性氧化物二维电子气体报告值的7倍。进一步的分析表明，磁EuO对邻近的KTaO3产生强烈的影响，驱使TaO2界面层进入铁磁态。目前的工作证明了磁性氧化物界面对于新概念材料或自旋电子器件的巨大潜力。