復(fù)雜電子體系的超敏量子調(diào)控

1、項(xiàng)目名稱:復(fù)雜電子體系的超敏量子調(diào)控 首席科學(xué)家:沈健 復(fù)旦大學(xué)起止年限:2011.1至 2015.8依托部門:教育部 上海市科委二、預(yù)期目標(biāo)本項(xiàng)目的總體目標(biāo):針對(duì)復(fù)雜電子體系中的超敏量子調(diào)控中面臨的基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題,本著強(qiáng)強(qiáng)聯(lián) 合, 多學(xué)科合作, 理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的原則, 凝聚國(guó)內(nèi)活躍在本領(lǐng)域相關(guān)前沿研 究領(lǐng)域具有代表性的研究隊(duì)伍, 并借助已經(jīng)建立起來(lái)的國(guó)際合作優(yōu)勢(shì), 利用項(xiàng)目 參與人已取得的對(duì)復(fù)雜氧化物和二維電子材料的前期研究成果, 與國(guó)家業(yè)已布局 的相關(guān)研究項(xiàng)目有機(jī)銜接, 優(yōu)化現(xiàn)有的綜合研究平臺(tái)和運(yùn)用先進(jìn)的技術(shù)手段, 深 入研究復(fù)雜電子體系的維度效應(yīng)及其產(chǎn)生的獨(dú)特的超敏量子調(diào)控功能, 發(fā)現(xiàn)未

2、知 的重要的物理現(xiàn)象并在理論上對(duì)相關(guān)的物理機(jī)理進(jìn)行研究。 同時(shí)為研究和應(yīng)用 此類現(xiàn)象發(fā)展出新技術(shù)、 新方法, 力爭(zhēng)在若干關(guān)鍵科學(xué)取得突破, 并開(kāi)發(fā)出基于 復(fù)雜電子體系的新型多功能電子器件。 通過(guò)優(yōu)化資源、 凝聚隊(duì)伍、 合作攻關(guān)、 重 點(diǎn)突破, 提出真正原創(chuàng)性的思想, 做出一批具有原創(chuàng)性的重要成果, 取得具有國(guó) 際影響力的重大突破, 使我國(guó)在新型電子器件的研究處于世界前沿。 通過(guò)本項(xiàng)目 的實(shí)施, 同時(shí)培養(yǎng)和鍛煉一批具有國(guó)際水準(zhǔn)的學(xué)術(shù)人才, 為參與未來(lái)在固態(tài)量子 計(jì)算及相關(guān)研究領(lǐng)域上的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)建立起一支創(chuàng)新能力強(qiáng)、 凝聚力高的高水平的 攻關(guān)隊(duì)伍。五年預(yù)期目標(biāo) :從實(shí)驗(yàn)上將復(fù)雜電子體系空間尺度縮小到

3、電子相分離的尺度或維度限制到 二維, 充分發(fā)揮其量子調(diào)控能力, 從而能在真正意義上實(shí)現(xiàn)超敏量子調(diào)控。 理論 與實(shí)驗(yàn)緊密結(jié)合, 研究電子輸運(yùn)過(guò)程與復(fù)雜體系內(nèi)各自由度的相互作用, 探討在 小系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)由電學(xué)控制各自由度的方法。 理解基于復(fù)雜體系的新型電子器件所 面臨的各種基礎(chǔ)問(wèn)題, 提出真正原創(chuàng)性的思想, 使我國(guó)的在新型電子器件的研究 處于世界前沿。五年具體目標(biāo)如下:1 獲得復(fù)雜氧化物的尺寸效應(yīng)及在臨界點(diǎn)的相變特性。實(shí)現(xiàn)利用外界磁場(chǎng)、 電場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)對(duì)復(fù)雜氧化物電輸運(yùn)和磁性質(zhì)的超敏控制。2 通過(guò)控制復(fù)雜氧化物的表面、 界面結(jié)構(gòu)、 化學(xué)組分, 獲得新磁性結(jié)構(gòu), 并 與硅技術(shù)相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)高效自旋電子器件

4、。3 實(shí)現(xiàn)尺寸效應(yīng)、 外電場(chǎng)引發(fā)的對(duì)稱性破缺對(duì)石墨烯以及氧化物異質(zhì)結(jié)納米 器件中的能帶調(diào)控。 發(fā)展石墨烯器件在微波、 太赫茲和遠(yuǎn)紅外波段作為激光元件 和超敏探測(cè)原器件的應(yīng)用。4 建立局域受限后的過(guò)渡族金屬?gòu)?fù)雜氧化物的輸運(yùn)特性的理論模型。 研究利 用納米加工手段降低復(fù)雜金屬氧化物維度后, 異于塊體和薄膜的輸運(yùn)模型, 建立 一種新的理論模型對(duì)新現(xiàn)象加以解釋。5 探索出與現(xiàn)有 CMOS 工藝兼容的復(fù)雜氧化物及石墨烯材料制備加工技術(shù), 包括采用電子束光刻技術(shù)制備亞微米 /納米結(jié)構(gòu)、精確可控的納米尺度等離子體 刻蝕技術(shù)等,實(shí)現(xiàn) 500-100nm 的復(fù)雜氧化物圖形化,制備石墨烯以及氧化物異質(zhì) 結(jié)納米帶、

5、 納米點(diǎn)。 研制出基于復(fù)雜體系的二維電子氣高速晶體管、 下一代存儲(chǔ) 器和其它新型電子器件原型。6 申報(bào)專利 20項(xiàng)以上;每年發(fā)表論文 40篇以上,其中至少有 20篇文章發(fā)表 在影響因子為 3或以上的雜志上;每年培養(yǎng)優(yōu)秀博士研究生和博士后 20名以上, 為國(guó)內(nèi)外重要科學(xué)研究基地輸送合格人才。 建立起一支在國(guó)際上相關(guān)研究領(lǐng)域具有影響力的學(xué)術(shù)團(tuán)隊(duì)。三、研究方案1學(xué)術(shù)思路:本項(xiàng)目的總體思路是瞄準(zhǔn)國(guó)家科學(xué)中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃中關(guān)于量子調(diào)控和固態(tài) 量子計(jì)算的戰(zhàn)略目標(biāo), 圍繞如何實(shí)現(xiàn)復(fù)雜電子體系中的超敏量子調(diào)控, 重點(diǎn)研究 空間尺度、 維度、 構(gòu)型以及序競(jìng)爭(zhēng)對(duì)微觀 (電子相分離、 量子相變 、 宏觀 (磁、 電等

6、 物理性質(zhì)以及體系的各種場(chǎng)效應(yīng)的影響, 探索復(fù)雜電子體系的表征方式和 超敏量子調(diào)控途徑。在此基礎(chǔ)上,開(kāi)發(fā)以復(fù)雜電子體系為基礎(chǔ)的新型電子器件。 在課題的設(shè) 臵 上注意與前期已經(jīng)執(zhí)行的項(xiàng)目在研究?jī)?nèi)容上相互補(bǔ)充,相輔相成, 與此同時(shí), 理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合, 各課題之間研究?jī)?nèi)容既有其獨(dú)特性, 相互之間又 具有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián), 從而發(fā)揮合作攻關(guān)的優(yōu)勢(shì)。 在人員的構(gòu)成上注意強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合, 充 分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家與理論物理學(xué)家合作攻關(guān)的優(yōu)勢(shì), 使得觀察到的物理現(xiàn)象能 夠及時(shí)在理論上進(jìn)行理解, 同時(shí)理論又可以指導(dǎo)下一步實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的方向。 在具體 技術(shù)路線的確立上, 將力求準(zhǔn)確把握國(guó)際上相關(guān)領(lǐng)域的重大科技發(fā)展動(dòng)向, 并結(jié)

7、合項(xiàng)目參加單位在相關(guān)研究領(lǐng)域豐富的研究工作基礎(chǔ)、 技術(shù)積累及我國(guó)的具體國(guó) 情, 在具體技術(shù)路線的確立上, 將力求準(zhǔn)確把握國(guó)際上相關(guān)領(lǐng)域的重大科技發(fā)展 動(dòng)向, 并結(jié)合項(xiàng)目參加單位在相關(guān)研究領(lǐng)域豐富的研究工作基礎(chǔ)、 技術(shù)積累及我 國(guó)的具體國(guó)情,抓住小尺度下復(fù)雜氧化物等超敏量子調(diào)控研究尚處于探索階段, 未形成明確的世界格局的機(jī)遇, 兼顧強(qiáng)調(diào)自主創(chuàng)新與總體技術(shù)路線的可行性兩方 面因素,力求在該研究領(lǐng)域獲得系列自主知識(shí)產(chǎn)權(quán),培養(yǎng)與完善研究隊(duì)伍建設(shè), 促進(jìn)我國(guó)在相關(guān)領(lǐng)域的可持續(xù)發(fā)展。對(duì)于復(fù)雜氧化物的空間受限體系的研究,我們將以分子束外延和脈沖激光 分子束外延所生長(zhǎng)的單晶薄膜為基點(diǎn), 利用各種微、 納加工方

8、法, 構(gòu)造尺度可控 的受限體系,發(fā)現(xiàn)新的物理現(xiàn)象,并通過(guò)化學(xué)摻雜、應(yīng)力、柵控電場(chǎng)、鐵磁交換 作用等, 調(diào)制體系的各種量子序極其共存態(tài), 讓體系能最敏感地響應(yīng)外界物理參 數(shù)的改變。實(shí)現(xiàn)復(fù)雜電子系統(tǒng)的樣品制備和研究其超敏量子調(diào)控是本項(xiàng)目的重 點(diǎn),具體研究方案的確定也將圍繞這方面展開(kāi)。2技術(shù)途徑:a 復(fù)雜電子系統(tǒng)的樣品制備我們將利用單晶外延薄膜生長(zhǎng)技術(shù) (脈沖激光分子束外延、 分子束外延等 , 通過(guò)優(yōu)化生長(zhǎng)條件, 制備出結(jié)構(gòu)、 化學(xué)組分、 應(yīng)力可控的高質(zhì)量復(fù)雜電子體系薄 膜,并進(jìn)行微、納加工,以得到尺寸、構(gòu)型可控的復(fù)雜電子空間受限體系,滿足 后續(xù)物性測(cè)量以及器件構(gòu)造的需求。 由于一旦當(dāng)材料的空間尺度

9、縮小到幾十納米 以下, 其邊界效應(yīng)將不可忽略, 而對(duì)單晶薄膜的微納加工不可避免會(huì)引入邊界缺 陷, 為了實(shí)現(xiàn)干凈的納米尺度下的空間束縛體系, 我們將發(fā)展一套新穎的樣品制 備工藝 (如下圖所示 :在單晶復(fù)雜氧化物材料制備之前, 利用電子束刻蝕或者 聚焦離子束刻蝕預(yù)先使襯底圖形化, 再利用脈沖激光分子束外延在此襯底上生長(zhǎng) 單晶薄膜。 由于刻蝕是在襯底上進(jìn)行而非在樣品上, 樣品圖案是通過(guò)襯底誘導(dǎo)自 發(fā)形成, 不需要離子束轟擊和化學(xué)處理過(guò)程, 既沒(méi)有粗糙邊緣帶來(lái)的缺陷, 也避 免了刻蝕過(guò)程不可避免引入的一些外加摻雜。 此外, 我們還會(huì)利用超晶格合成化 學(xué)有序的薄膜來(lái)研究化學(xué)有序性對(duì)物性的調(diào)制。 以錳氧化

10、物為例, La 0.5Ca 0.5MnO 3中摻雜的 Ca 2+離子, 在一般情況下是空間隨機(jī)分布的。 但如果用外延方法將單層 的 LaMnO 3和單層 CaMnO 3換層堆積成超晶格結(jié)構(gòu),則該超晶格體系就成了 Ca 2+離子化學(xué)有序排列的 La 0.5Ca 0.5MnO 3體系。將這兩個(gè)體系的物性直接做比較,我 們希望能夠直接觀察到化學(xué)有序摻雜在 La 0.5Ca 0.5MnO 3體系中扮演的角色。類似 的方法當(dāng)然也可以推廣到其它的復(fù)雜電子體系生長(zhǎng)中去。 b 復(fù)雜材料體系的呈展現(xiàn)象我們將設(shè)計(jì)如下圖所示的可控激勵(lì)的新器件。利用錳氧化物 La 1-x -y Pr x Ca y MnO 3 (LP

11、CMO的獨(dú)特性質(zhì)來(lái)做晶體管的溝道材料, 雖然此器件結(jié)構(gòu)上類 似于通常的場(chǎng)效應(yīng)管, 但基本原理卻是基于錳氧化物薄膜中電荷相分離的呈展效 應(yīng)。 由于這些材料的復(fù)雜強(qiáng)關(guān)聯(lián)本質(zhì), 加在薄膜上的電場(chǎng)能夠顯著的改變內(nèi)部的 電荷序, 因此輸運(yùn)溝道的性質(zhì) (金屬-絕緣體相變 會(huì)隨著這些相的變化而變化, 從而控制通道的導(dǎo)通。此外,我們還將引入鐵電材料如 PbZr x Ti 1-x O 3 (PZT來(lái)調(diào)控 錳氧化物的界面, 實(shí)現(xiàn)由外加電壓驅(qū)動(dòng)鐵電材料控制錳氧化物界面上的應(yīng)力場(chǎng)和 電荷分布。由于 PZT 是一種鐵電材料,能夠受電場(chǎng)控制實(shí)現(xiàn)雙向翻轉(zhuǎn),進(jìn)而雙向 驅(qū)動(dòng)錳氧化物相變。而且 PZT 還是一種壓電材料,即外加電

12、場(chǎng)還能夠同時(shí)改變晶 體結(jié)構(gòu)的形狀, 使得通過(guò)外加應(yīng)力來(lái)調(diào)控溝道中的錳氧化物材料成為可能, 從而 實(shí)現(xiàn)應(yīng)力誘導(dǎo)相變導(dǎo)致的溝道電阻變化。 c 材料表征對(duì)于上述各種材料,根據(jù)所要進(jìn)行的測(cè)試以及開(kāi)展后續(xù)工作所需的要求, 使用相應(yīng)的常規(guī)樣品表征手段如 XRD 、 SEM 、 TEM 、 STM 、 AFM 、電阻率、遷 移率、磁阻、磁矩測(cè)量等進(jìn)行表征,研究樣品表面及內(nèi)部晶格結(jié)構(gòu)和相關(guān)物性。 同時(shí)把所得到的結(jié)果反饋回樣品生長(zhǎng)和微、 納加工人員, 以摸索最佳樣品制備條 件,不斷完善,最終得到符合要求的樣品。d 微加工和器件制備本項(xiàng)目的許多研究?jī)?nèi)容都涉及到對(duì)樣品進(jìn)行微米至納米尺度的微加工。中 科院微電子所以及

13、本項(xiàng)目的相關(guān)課題組具有各類進(jìn)行微加工所需要的設(shè)備如電 子束曝光(EBL 、反應(yīng)離子束刻蝕(RIE 、聚焦離子束刻蝕(FIB 等,同時(shí) 各課題組成員都具有進(jìn)行樣品微加工的多年的經(jīng)驗(yàn)積累,通過(guò)摸索微加工工藝, 最終得到開(kāi)展后續(xù)實(shí)驗(yàn)所需的進(jìn)行微加工的樣品。e 物性測(cè)試在所得到的樣品上利用各課題組已有的測(cè)試手段以及各依托單位的公用設(shè) 備,在特定條件下(極低溫、強(qiáng)磁場(chǎng)、極高壓進(jìn)行霍爾電阻、隧道譜、磁阻、 SQUID 、 比熱、 光譜、 亞微米量級(jí)的激光掃描共聚焦熒光顯微光譜等各項(xiàng)與有序 量子態(tài)所表現(xiàn)出的物性相關(guān)的實(shí)驗(yàn), 得到與量子有序態(tài)相關(guān)的物理信息。 通過(guò)比 對(duì)不同樣品、 不同條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果, 總結(jié)

14、出量子有序態(tài)在外部條件影響下發(fā)生 變化的規(guī)律, 找出對(duì)量子有序態(tài)起重要作用的參量, 進(jìn)而理解不同系統(tǒng)中量子有 序態(tài)受到某些特定條件的影響下所發(fā)生的變化過(guò)程和物理機(jī)理, 掌握其規(guī)律, 探 索出對(duì)量子有序態(tài)進(jìn)行調(diào)控的新思路、新方法。f 理論分析和理論模擬理論成員將積極配合實(shí)驗(yàn)組 , 在兩方面開(kāi)展理論研究:(1 針對(duì)實(shí)驗(yàn)中提出的問(wèn)題和觀測(cè)到的現(xiàn)象, 進(jìn)行理論分析, 構(gòu)造理論模型及進(jìn)行理論模擬, 從而獲 得深入的理解以推動(dòng)相關(guān)實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展; (2 開(kāi)展理論的前瞻性研究,從理論基 礎(chǔ),新現(xiàn)象預(yù)言,實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)等方面為實(shí)驗(yàn)工作開(kāi)展方向提供參考。四、年度計(jì)劃2011年度制備高質(zhì)量樣品,摸索微納加工技術(shù),以研究

15、空間尺度效應(yīng)對(duì)不同量子序 的特征長(zhǎng)度及相互關(guān)聯(lián)的影響, 建立局域受限后的過(guò)渡族金屬?gòu)?fù)雜氧化物的輸運(yùn) 特性的理論模型。通過(guò) PLD, CVD,懸浮區(qū)法,自助熔劑法,磁控濺射、 MBE 等多樣材料生長(zhǎng) 的方法, 制備高質(zhì)量石墨烯、 復(fù)雜材料低維界面等各類物理體系樣品。 摸索復(fù)雜 氧化物的微納加工技術(shù), 利用光刻、 電子束刻蝕和聚焦離子束刻蝕相結(jié)合的方法, 將各種復(fù)雜氧化單晶薄膜制備成從幾微米到幾十納米的各種小尺度結(jié)構(gòu), 研究空 間束縛效應(yīng)對(duì)其物性的影響。 利用鋁膜輔助電子束刻蝕技術(shù)和聚焦離子束刻蝕制 備亞 100納米線寬的圖形,在此基礎(chǔ)上利用原子力顯微鏡進(jìn)一步探索 30納米線寬 的圖形刻蝕技術(shù)。

16、并將電子相分離研究對(duì)象從 LaPrCaMnO 3拓展到更多的復(fù)雜氧化 物,進(jìn)一步篩選出更多具備超敏量子調(diào)控性能的材料。發(fā)展計(jì)算復(fù)雜電子體系表面電子結(jié)構(gòu)和輸運(yùn)性質(zhì)的新方法,復(fù)雜電子體系 由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜, 原有的基于平衡態(tài)的電子結(jié)構(gòu)計(jì)算和基于線性響應(yīng)理論電導(dǎo)理論 都需要改進(jìn)。2012年度全面展開(kāi)對(duì)復(fù)雜電子體系中的序競(jìng)爭(zhēng)及其誘導(dǎo)的新現(xiàn)象的研究。將篩選出的材料在外延生長(zhǎng)時(shí),通過(guò)選取不同的襯底晶面控制薄膜的晶體 取向、 通過(guò)襯底晶格的大小以及對(duì)稱性來(lái)控制薄膜的晶格常數(shù)、 鍵角以及晶體對(duì) 稱性; 研究晶體結(jié)構(gòu)的改變對(duì)電子自旋耦合和躍遷幾率、 體系的宏觀磁性和電輸 運(yùn)性質(zhì)的調(diào)控, 研究超晶格形成的維度調(diào)控對(duì)物

17、性的影響。 以復(fù)雜氧化物為重點(diǎn), 深入研究薄膜晶體結(jié)構(gòu)與襯底結(jié)構(gòu)的關(guān)系, 在此基礎(chǔ)上總結(jié)出復(fù)雜氧化物外延薄 膜生長(zhǎng)規(guī)律和相圖。針對(duì)所要研究的物理問(wèn)題與相應(yīng)的檢測(cè)手段設(shè)計(jì)并制備高品質(zhì)的石墨烯器 件,研究外界電場(chǎng)磁場(chǎng)作用下的石墨烯中量子輸運(yùn)行為所需器件的設(shè)計(jì)與制備。 利用低溫超高真空 STM-AFM 聯(lián)用系統(tǒng)對(duì)所制備的石墨烯器件進(jìn)行研究, 探索其在應(yīng)力作用下的量子輸運(yùn)特性。2013年度利用柵極場(chǎng)實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)復(fù)雜氧化物材料可控翻轉(zhuǎn),研究引入鐵電材料如 PbZr x Ti 1-x O 3(PZT實(shí)現(xiàn)調(diào)控錳氧化物的界面;研究由外加電壓驅(qū)動(dòng)鐵電材料控制 錳氧化物界面上的應(yīng)力場(chǎng)和電荷分布;研究應(yīng)力誘導(dǎo)相變導(dǎo)

18、致溝道電阻的變化; 研究進(jìn)一步縮小柵極寬度到納米尺度局域應(yīng)力和電荷對(duì)大尺度宏觀性質(zhì)的貢獻(xiàn); 設(shè)計(jì)垂直翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu),研究復(fù)雜氧化物體系中的電脈沖誘導(dǎo)電阻翻轉(zhuǎn)效應(yīng)。研究復(fù)雜氧化物界面的二維超導(dǎo)體系(例如 LaAlO 3/SrTiO3、拓?fù)浣^緣體 表面以及拓?fù)浣^緣體 /超導(dǎo)體界面、 有機(jī) /無(wú)機(jī)半導(dǎo)體界面等復(fù)雜低維體系的新奇 現(xiàn)象,探索外場(chǎng)(電場(chǎng)、光場(chǎng)等調(diào)控的可能。2014年度通過(guò)在復(fù)雜電子體系的清潔表面原位生長(zhǎng)鐵磁金屬的納米結(jié)構(gòu),利用鐵磁 金屬原子與復(fù)雜電子體系磁性原子的交換相互作用來(lái)間接控制體系的自旋序, 實(shí) 現(xiàn)局域磁場(chǎng)對(duì)復(fù)雜電子體系的操控。 并在此基礎(chǔ)上, 把表面的鐵磁金屬米結(jié)構(gòu)做 成有序陣列,設(shè)

19、計(jì)出一些特定的結(jié)構(gòu)來(lái)控制復(fù)雜電子體系的宏觀自旋序。我們還將結(jié)合納米圖形工藝制備納米結(jié)構(gòu), 研究鐵磁 /半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)中的自 旋注入和自旋輸運(yùn)性質(zhì), 研究磁性薄膜中電子關(guān)聯(lián)、 表面效應(yīng)、 尺寸效應(yīng)和維度 效應(yīng)對(duì)磁性的影響。2015年度進(jìn)一步深化對(duì)以上復(fù)雜電子體系中的量子態(tài)調(diào)控的研究, 并基于前 4年的 研究進(jìn)展,初步實(shí)現(xiàn)原創(chuàng)性的原型電子器件。一、研究?jī)?nèi)容1. 研究空間尺度效應(yīng)對(duì)不同量子序的特征長(zhǎng)度及相互關(guān)聯(lián)的影響強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子體系中的一些奇特、新穎的物理現(xiàn)象,譬如銅氧化物的高溫超 導(dǎo)、錳氧化物的龐磁阻、重費(fèi)米子體系的非費(fèi)米液體行為等,都與材料中電荷、 晶格、 軌道、 自旋這四個(gè)自由度共存卻又相互競(jìng)爭(zhēng)的

20、關(guān)系有著密切的聯(lián)系, 而這 些現(xiàn)象又在很大程度上與材料中非均勻分布的空間電荷或者說(shuō)納米尺度上的相 分離有關(guān)。 我們將設(shè)計(jì)和制備新穎的小尺寸復(fù)雜氧化物樣品結(jié)構(gòu), 研究復(fù)雜氧化 物體系在小尺度下與電子相分離相關(guān)的呈展現(xiàn)象、 電子相分離與宏觀電輸運(yùn)的關(guān) 聯(lián)性; 研究關(guān)聯(lián)電子系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)特性:呈展效應(yīng) 也就是多能量自由度的合作 協(xié)同引起的超過(guò)它們各自簡(jiǎn)單相加的奇特效應(yīng); 研究復(fù)雜材料內(nèi)稟的每一層次的 關(guān)聯(lián)特征長(zhǎng)度和分離各個(gè)特征關(guān)聯(lián)的可能性; 利用光刻、 電子束刻蝕和聚焦離子 束刻蝕相結(jié)合的方法, 將各種復(fù)雜氧化單晶薄膜制備成從幾微米到幾十納米的各 種小尺度結(jié)構(gòu),研究空間束縛效應(yīng)對(duì)其物性的影響。2、研究人

21、工合成方法控制復(fù)雜電子體系構(gòu)型及其物性調(diào)控由于電子關(guān)聯(lián)作用,復(fù)雜電子體系的構(gòu)型,包括晶體結(jié)構(gòu)、化學(xué)有序都會(huì) 對(duì)宏觀物理性質(zhì)有巨大的影響。 我們將在外延生長(zhǎng)時(shí), 通過(guò)選取不同的襯底晶面 控制薄膜的晶體取向、通過(guò)襯底晶格的大小以及對(duì)稱性來(lái)控制薄膜的晶格常數(shù)、 鍵角以及晶體對(duì)稱性; 研究晶體結(jié)構(gòu)的改變對(duì)電子自旋耦合和躍遷幾率、 體系的 宏觀磁性和電輸運(yùn)性質(zhì)的調(diào)控。 以復(fù)雜氧化物為重點(diǎn), 深入研究薄膜晶體結(jié)構(gòu)與 襯底結(jié)構(gòu)的關(guān)系, 在此基礎(chǔ)上總結(jié)出復(fù)雜氧化物外延薄膜生長(zhǎng)規(guī)律和相圖。 將薄 膜生長(zhǎng)與相應(yīng)的物性測(cè)量以及理論解釋相結(jié)合, 獲取一套帶有普適性的利用調(diào)制 晶體結(jié)構(gòu)來(lái)調(diào)控宏觀物性的方法。 研究由于摻

22、雜元素的隨機(jī)分布而形成的化學(xué)不 均勻性對(duì)物性的影響, 一直是強(qiáng)關(guān)聯(lián)物理界關(guān)注的重要問(wèn)題之一。 如果采用超晶 格外延生長(zhǎng)合成化學(xué)有序的薄膜, 就可以與類似條件生長(zhǎng)的具有隨機(jī)摻雜分布的 薄膜相比較,深入理解化學(xué)有序性對(duì)物性進(jìn)行的調(diào)制。3、研究柵電場(chǎng)變化對(duì)復(fù)雜電子體系物性的調(diào)控眾所周知,對(duì)于自旋-電荷-晶格-軌道相互作用構(gòu)成的體系,細(xì)小的微 擾就能夠?qū)暧^性質(zhì)產(chǎn)生巨大的影響。 但目前對(duì)電場(chǎng)等外界微擾如何局域地影響 系統(tǒng)宏觀性質(zhì)尚缺乏理解。 我們將研究諸如呈展現(xiàn)象在復(fù)雜材料中是如何產(chǎn)生并 相互競(jìng)爭(zhēng)等長(zhǎng)期困擾本領(lǐng)域的核心問(wèn)題; 在電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)復(fù)雜氧化物材料可控翻轉(zhuǎn)的 基礎(chǔ)上, 研究引入鐵電材料如 PbZr

23、x Ti 1-x O 3 (PZT實(shí)現(xiàn)調(diào)控錳氧化物的界面; 研究 由外加電壓驅(qū)動(dòng)鐵電材料控制錳氧化物界面上的應(yīng)力場(chǎng)和電荷分布; 研究應(yīng)力誘 導(dǎo)相變導(dǎo)致溝道電阻的變化; 研究進(jìn)一步縮小柵極寬度到納米尺度下的局域應(yīng)力 和電荷對(duì)大尺度宏觀性質(zhì)的貢獻(xiàn); 設(shè)計(jì)垂直翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu), 研究復(fù)雜氧化物體系中的 電脈沖誘導(dǎo)電阻翻轉(zhuǎn)效應(yīng)(EPIR 。4、研究可控應(yīng)力場(chǎng)對(duì)復(fù)雜電子體系物性調(diào)控龐電阻、龐磁阻、高溫超導(dǎo)和金屬絕緣體相變,這些目前仍然沒(méi)有完全理 解卻非常有應(yīng)用前景的材料, 都能受外加應(yīng)力場(chǎng)的強(qiáng)烈影響。 我們將在外延薄膜 過(guò)程中, 通過(guò)襯底與薄膜晶格常數(shù)的匹配設(shè)計(jì)引入外加應(yīng)力場(chǎng), 即通過(guò)調(diào)節(jié)錳氧 化物薄膜中的短程

24、和長(zhǎng)程彈性應(yīng)力來(lái)控制宏觀物性; 此外, 我們還可以采用晶格 近乎完美匹配的襯底, 先外延壓電陶瓷晶體作為平臺(tái), 然后外延一層絕緣層, 最后再生長(zhǎng)相分離復(fù)雜金屬氧化物薄膜材料， 由于壓電陶瓷層與復(fù)雜金屬氧化物層 之間絕緣層的存在，就能忽略壓電陶瓷材料界面上的電偶極效應(yīng)，只精細(xì)控制各 向異性應(yīng)力。利用這一新穎的體系，我們就能系統(tǒng)地研究通過(guò)襯底引入的全局應(yīng) 力場(chǎng)對(duì)薄膜物性的影響。另外，通過(guò)在復(fù)雜材料薄膜表面生長(zhǎng)小尺度的晶格失配 材料，我們還能研究局域應(yīng)力場(chǎng)對(duì)整體物性的影響。 5、研究表面納米磁性陣列結(jié)構(gòu)的鐵磁交換作用控制復(fù)雜電子體系的物性 對(duì)于復(fù)雜電子體系，外磁場(chǎng)通過(guò)調(diào)節(jié)電子自旋序控制其宏觀物性，但通常 只有強(qiáng)磁場(chǎng)才能實(shí)現(xiàn)電子自旋序的調(diào)控， 這就使復(fù)雜電子材料