Advanced Electronic Materials: 反铁磁锰氧化物中多价态锰离子诱导的奇异铁磁

现代电子科学技术及其相关产业的飞速发展对于自旋电子器件的低能耗、高密度和高集成度提出了更高的要求。以锰氧化物为代表的关联氧化物自旋电子功能材料具有良好的磁电性能、丰富的轨道相关物理现象和高热稳定性而受到了广泛关注。实现对全氧化物磁学行为的有效调控对推动其在信息存储等自旋电子器件领域的应用具有重要意义。

LaMnO₃作为锰氧化物的母体材料，是一种A型反铁磁绝缘体。但在实验中将其制备成薄膜异质结后，人们惊奇地发现其呈现出显著的铁磁性，居里温度高达140K。而这一奇异铁磁性的来源（例如电子重建、应力等机制）一直众说纷纭。经历了真空环境下（尽管生长时是高氧分压）获得的氧化物异质结，氧缺陷和应力这两大效应首先会被认为可能是关联氧化物中奇异物性的来源，而在反铁磁性LaMnO₃出现的奇异铁磁性究竟是否由于这些原因所引起的还不得而知。

近期，南京大学电子学院王学锋教授课题组及其合作团队开展了LaMnO₃异质结奇异铁磁性起源的研究。他们通过脉冲激光沉积技术制备了原子级平整的LaMnO₃/SrTiO₃异质结，当LaMnO₃薄膜厚度大于5个单胞（UC），异质结从原本的非磁性陡然出现铁磁性，饱和磁化强度随着厚度的增加而增大，并最终在10UC时达到饱和，约为1.5µB/Mn。并且这一奇异的铁磁性不局限于极性/非极性的LaMnO₃/SrTiO₃异质结中，LaMnO₃生长在不同极性和应力状态的衬底上（如：LaAlO₃和(LaAlO₃)_0.3(Sr₂AlTaO₆)_0.7）都呈现出铁磁性，从而排除了应力效应和极性不连续导致的电子重建机制。而LaMnO₃薄膜化的过程中常常伴随着阳离子空缺而导致的氧过量，他们认为这是奇异铁磁性的来源，并通过样品磁性对氧压的依赖性得以证实。

通过结合空间分辨的电子能量损失谱、同步辐射X射线吸收谱以及X射线磁圆二色性谱分析，研究人员首次指认LaMnO₃/SrTiO₃异质结中同时存在Mn²⁺、Mn³⁺和Mn⁴⁺。而铁磁性就来自LaMnO₃中由于氧过量产生的Mn⁴⁺而发生的Mn³⁺-O-Mn⁴⁺双交换作用，并非来自于界面效应。更有趣的是，LaMnO₃/SrTiO₃中厚度依赖的铁磁行为与传统锰氧化物中“死层”效应相一致，并伴随着由于电子重建而导致的Mn²⁺在界面处的积累。这一工作揭示了原本反铁磁性LaMnO₃出现奇异铁磁性的机制，同时拓宽了对关联氧化中氧过量这一问题的理解，有利于设计和制备基于关联氧化物的全氧化物自旋电子器件。

该工作由南京大学电子学院王学锋教授、徐永兵教授、南京大学现代工学院王鹏教授及丹麦科技大学陈允忠教授等多个课题组共同合作完成。相关文章在线发表在Advanced Electronic Materials (DOI:10.1002/aelm.201800055)上。