復(fù)雜氧化物異質(zhì)結(jié)構(gòu)因其豐富的物理現(xiàn)象而收到極大的關(guān)注，如鐵磁性、鐵電性、界面二維電子氣、拓?fù)渥孕y理、應(yīng)變誘導(dǎo)的超導(dǎo)性等。然而，在氧化物異質(zhì)結(jié)的設(shè)計(jì)中存在一個(gè)局限：當(dāng)厚度減小到一定程度時(shí)，薄膜會(huì)表現(xiàn)出與其對(duì)應(yīng)塊體性質(zhì)截然不同的“死層”現(xiàn)象。作為一個(gè)典型的例子，4d過(guò)渡金屬氧化物SrRuO?（SRO）的塊體具備鐵磁金屬基態(tài)，居里轉(zhuǎn)變溫度約160K。但在SrTiO?（STO）等基底上生長(zhǎng)的超薄SRO薄膜則展現(xiàn)金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變（MIT）和非鐵磁態(tài)，與塊體性質(zhì)不同。過(guò)去十多年中，臨界厚度被報(bào)道從4-5個(gè)原胞到2個(gè)原胞之間，近年來(lái)其磁性“死層”更降低至近乎單個(gè)原胞層。這種厚度依賴的MIT轉(zhuǎn)變歸因于多種因素，如電子關(guān)聯(lián)增強(qiáng)、結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變、動(dòng)態(tài)自旋關(guān)聯(lián)以及表面無(wú)序和化學(xué)成份變化等外在因素。實(shí)驗(yàn)中單原胞層 SRO 超晶格的基態(tài)更是存在非鐵磁絕緣體、鐵磁絕緣體、準(zhǔn)鐵磁金屬態(tài)等多種狀態(tài)，但都與理論上提出的半金屬鐵磁態(tài)相悖。排除外在因素將助于解決實(shí)驗(yàn)與理論結(jié)果間的不一致，揭示單層SRO的內(nèi)稟屬性。

?

?

中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心張堅(jiān)地，郭建東研究員，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)陶靖教授，特任研究員王臻及其合作者通過(guò)研究?jī)A斜STO（001）襯底上STO?-SRO2-STO?-SRO1異質(zhì)結(jié)的原子結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)臺(tái)階邊緣的混合截止（termination）面會(huì)破壞超薄SRO層的橫向均勻性和完整性，為理解單層SRO的“死層”效應(yīng)提供了新的視角。一般情況下，在期待以TiO?-截止的STO襯底表面臺(tái)階邊緣因受處理?xiàng)l件的影響會(huì)出現(xiàn)半層臺(tái)階（SrO截止區(qū)）從而形成混合截止面。原子分辨的掃描透射電鏡觀測(cè)結(jié)構(gòu)表明，薄膜中存在兩類具有代表性臺(tái)階生長(zhǎng)模式（見(jiàn)圖1）。第一類臺(tái)階邊緣為單一截止面，薄膜是沿[0 1 1]方向生長(zhǎng)，使平臺(tái)間的SRO增加一個(gè)原胞。第二類臺(tái)階邊緣為混合截止面，即存在單胞尺度的SrO截止區(qū)，薄膜是沿[1 -1 0]方向生長(zhǎng)，致使平臺(tái)間的SRO減少一個(gè)原胞。

?

當(dāng)SRO減小至單單原胞層時(shí)，第二類臺(tái)階會(huì)導(dǎo)致SRO層中斷。由此誘導(dǎo)的SRO橫向不連續(xù)性并且應(yīng)該與單層SRO的獨(dú)特輸運(yùn)和磁性的相關(guān)。臺(tái)階邊緣較寬的SrO截止區(qū)可在低分辨表面探測(cè)手段（如普通原子力掃描顯微鏡）中辨別出來(lái)，但單胞尺度的SrO截止區(qū)則不容易明確區(qū)分。寬度為1個(gè)單胞SrO截止區(qū)可導(dǎo)致單層SRO中斷，更寬的SrO截止區(qū)會(huì)破壞較厚SRO薄膜的連續(xù)性。原子級(jí)別的不連續(xù)性會(huì)最終導(dǎo)致電輸運(yùn)路徑中斷，從而導(dǎo)致超薄SRO薄膜及超晶格中非金屬“死層”現(xiàn)象。因此，TiO?截止面STO襯底上單一TiO?截止面、單原胞高度臺(tái)階結(jié)構(gòu)是生長(zhǎng)高質(zhì)量外延氧化物異質(zhì)結(jié)構(gòu)的重要條件。

?

圖2：STO?-SRO?-STO?異質(zhì)結(jié) (a) 各單胞層的元素分布以及 (b) 鐵磁性和電輸運(yùn)的測(cè)量結(jié)果。

?

此外，該團(tuán)隊(duì)結(jié)合實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算，對(duì)STO?-SRO?-STO?（n = 1, 2）異質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)由Ti-Ru混合引起的嚴(yán)重化學(xué)成份變化是單層（n=1）SRO金屬性和鐵磁性消失（“死層”效應(yīng)）的原因（圖2）。研究表明，當(dāng)n=2時(shí)，異質(zhì)結(jié)表現(xiàn)出金屬和鐵磁行為（Tc?~ 128 K），2個(gè)單胞的SRO八面體傾轉(zhuǎn)消失，幾乎保持化學(xué)成份比。密度泛函理論（DFT）計(jì)算發(fā)現(xiàn)，沒(méi)有八面體傾轉(zhuǎn)，化學(xué)計(jì)量比的STO?-SRO-STO?仍然表現(xiàn)出鐵磁金屬性，由Ti-Ru混合引起的Ru缺失導(dǎo)致了反鐵磁性排序和單層SRO中絕緣行為的穩(wěn)定化，是導(dǎo)致金屬性和鐵磁性喪失的原因。STO襯底上伴隨臺(tái)階結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的非單一截止面，該是導(dǎo)致Ti-Ru混合的重要因素。在原子級(jí)別上，單一TiO?表面的STO襯底是生長(zhǎng)高質(zhì)量單層SRO薄膜的前提，也是研究單層SRO基態(tài)的必要條件。

?

以上研究不僅拓寬對(duì)SRO“死層”現(xiàn)象根源的理解，在原子尺度上精確描述橫向非均勻性將極大地幫助我們更好地理解超薄膜與超晶格的內(nèi)稟物理性質(zhì)。當(dāng)SRO薄膜被用作各種電子和自旋電子學(xué)應(yīng)用時(shí)，了解其在原子級(jí)別的結(jié)構(gòu)變化對(duì)于優(yōu)化器件的性能至關(guān)重要。相關(guān)成果發(fā)表在近期的《Physical Review Materials》(Editors’ suggestion)和《Physical Review B》上。物理研究所張堅(jiān)地研究員、美國(guó)布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室朱溢眉教授以及Vanderbilt University的Sokrates T. Pantelides教授為共通通訊作者。以上工作獲得了科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委、中國(guó)科學(xué)院等項(xiàng)目的資助。