顺磁氧化物异质界面电荷转移诱导的界面铁磁性 | 进展

由于多自由度之间强烈的关联耦合，过渡金属氧化物表现出非常丰富的物理性能，如金属-绝缘体转变、高温超导、铁磁、铁电、多铁性等等。而随着薄膜生长技术的提高，从原子层尺度人工构建不同氧化物的异质界面，引入外延应力、对称性破缺、电荷转移、轨道重构等界面耦合效应，成为了获取氧化物新材料新物性的重要手段。当两种电负性不同的氧化物结合在一起时，界面处近邻原子轨道之间的相互杂化会形成一个能量更低的分子轨道，同时伴随着界面处的电荷转移。

图1 CRO/LNO超晶格结构表征

电荷轨道重构同时产生了强烈的层间交换相互作用，基于Goodenough−Kanamori−Anderson 规则将界面两侧金属离子的自旋对齐。这种层间相互作用可以将磁有序状态从铁磁/反铁磁(FM/AFM)层转移到相邻的非磁性层,即所谓磁邻近效应。磁邻近效应是诱导非磁体系产生长程铁磁序的重要手段。例如在5d顺磁氧化物SrIrO3与铁磁LaMnO3、LaCoO3或反铁磁SrMnO3组成的异质结体系中，均成功在SrIrO3层中诱导出界面铁磁相。

图2 CRO/LNO超晶格反常霍尔效应与磁电阻测量

中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心磁学国家重点实验室M03组近年来致力于氧化物异质界面物性设计及调控方面的研究工作，希望利用异质界面晶体场、应力场、电荷重组、轨道重构等效应诱导出完全不存在于体相材料的界面新物态，在磁邻近效应相关研究方面也取得了一系列重要进展，包括钌氧化物巡游铁磁相构筑及磁矩增强（Adv. Funct. Mater. 33, 2300338 (2023)，Small 19, 202308172 (2023)），钌氧化物界面超交换铁磁相八重对称磁各向异性（Adv. Funct. Mater. 33, 2306434 (2023)）、锰氧化物/镍氧化物界面层状磁性结构解析（Nano Lett. 24, 1122 (2024)）等等，为该效应的深入物理理解提供了新的思路。

图3 CRO/LNO超晶格界面电荷转移XAS与EELS测量

然而，在常规磁邻近效应中，铁磁或反铁磁诱导层的天然存在，会对界面铁磁相产生强烈的钉扎效应，给界面铁磁相的磁矩以及各向异性调控带来了局限性。如果能在完全由两种非磁性材料的异质结构中也生成界面铁磁相，其界面磁矩将表现出准二维磁性的特征，具备更强的可操控性。最近，该组博士研究生郑洁在陈沅沙副研究员、孙继荣研究员的共同指导下，联合松山湖材料实验室张静副研究员，成功在两种顺磁氧化物 CaRuO3(CRO)和LaNiO3(LNO)组成的超晶格中诱导出界面铁磁相。

图4 CRO/LNO超晶格界面轨道占据XLD测量

通过设计单个超晶格周期内的CRO与LNO层的不同厚度，成功证明界面耦合作用在CRO和LNO层中都建立了长程铁磁序，并表现出完全相同的居里温度∼ 75 K。此外，X射线线性二色性光谱(XLD)显示,在该异质结构中，Ru4+离子优先占据的轨道为d3z2-r2，Ni3+离子优先占据的轨道为dx2-y2。因此，通过调节CRO和LNO子层的厚度组合，可以设计界面相的磁各向异性，实现从垂直磁各向异性到面内磁各向异性的大幅度调控。这项工作清楚地表明在顺磁氧化物异质结构中也可以通过电荷转移诱导出界面铁磁相，为构筑二维磁性界面提供了一种新的可行方案。

图5 CRO/LNO超晶格各向异性磁电阻测量

本研究的相关内容以“Charge-Transfer-Induced Interfacial Ferromagnetism in Ferromagnet-Free Oxide Heterostructures”为题发表在《ACS NANO》上。M03组博士生郑洁为该论文的第一作者，通讯作者为陈沅沙副研究员，孙继荣研究员和松山湖材料实验室张静副研究员。该工作得到了科技部、国家自然科学基金委项目、中国科学院战略性先导科技专项和中国科学院重点项目的支持。该工作的谱学实验测量在大科学装置上海同步辐射光源BL08U1A线站上完成。

编辑：停云