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极化屏蔽诱导的BiFeO3/PbTiO3异质结外延生长及其界面磁性的研究

异质结、,外延生长,界面磁性

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构建钙钛矿氧化物异质结可以对界面处的电荷、自旋以及轨道自由度进行调控，从而探索新奇的物理现象。大量研究表明，LaAlO3/SrTiO3(LAO/STO)异质结界面处极性不连续会导致电子重构，伴随产生二维电子气、低温超导性以及铁磁性[1-5]。Chakhalian等[6]也曾发现在(Y,Ca)Ba2Cu3O7/La0.67Ca0.33MnO3(YBCO/LCMO)界面，通过电荷转移驱动轨道有序性以及铁磁性的产生。这启发我们将反铁磁体系BiFeO3(BFO)与铁电体系PbTiO3(PTO)结合成异质结，并对其磁性进行研究。在此工作中，通过水热法成功制备了单晶BFO/PTO异质结。有趣的是，BFO薄膜选择性的生长在PTO纳米片的负极性面，且饱和厚度为18-20 nm。BFO/PTO异质结具有室温铁磁性，且饱和磁化强度随着BFO薄膜厚度的降低而降低。当BFO薄膜厚度为18 nm时，异质结饱和磁化强度为0.029 emu/g。经电镜观察可得，BFO/PTO异质结形成了原子级平整的高质量界面，且BFO与PTO的外延关系为{012}BFO//{001}PTO。由结合HAADF-STEM技术以及EELS图谱分析可得，BFO的正极化面可以被PTO的负极化面以及PTO内部的多余电子共同作用下屏蔽。基于此，提出“屏蔽平衡的打破和再建”机制，以解释BFO在负极化面上的选择性生长、饱和厚度的产生和界面磁性的来源。这一工作为钙钛矿氧化物异质结的可控外延生长提供了思路，展示了较为奇特的界面功能性。