2012CB921400-G-异质界面诱导的新奇量子现象及调控

项目名称：异质界面诱导的新奇量子现象及调控首席科学家：龚新高复旦大学起止年限：2012.1至2016.8依托部门：教育部上海市科委一、关键科学问题及研究内容异质界面由于对称性的破缺，两侧通过晶体场、应力场、电荷转移、自旋交换、和化学键合等相互作用，能够诱导出与本体极不相同的新奇量子态和量子过程。目前，各种新奇的界面量子现象的研究仍处于零散、孤立的发现阶段；对具体哪些相互作用如何诱导新奇量子现象以及如何影响界面处的量子过程缺乏系统的研究和认识。本项目拟解决的关键问题是：异质界面诱导的新奇量子态和量子过程的基本规律是什么？如何通过异质界面来实现对新奇量子态的有效调控？具体包括：1.界面结构和晶格应力、电荷转移、自旋极化、轨道重构等界面物理性质的关系。2.界面对电荷、自旋和轨道等新奇量子序、以及对激子和载流子动力学等量子过程的影响。3.界面新奇量子态和量子过程与输运、非线性光学响应、光电能量转换等物性的关系。4.界面成分和缺陷、结构构筑、光/电/磁等外场如何诱导和调控界面新奇量子现象和物性。主要研究内容:1.发展精确控制的制备和表征技术，研制高品质的异质界面1)发展精准控制的激光分子束外延（LMBE）技术，制备高品质的复杂氧化物异质界面。发展精确控制的生长技术，制备具有高品质清晰界面和精确层数的氧化物低维异质结构材料是研究界面诱导新奇量子现象和调控其效应的前提和基础。利用激光分子束外延设备在原子层面上精控生长的优势，与反射高能电子衍射仪（RHEED）的原位实时监控功能，结合扫描隧道显微镜(STM)在原子尺度上的高空间分辨率表征能力，探索精确控制生长高质量、具有原子级平整界面的氧化物低维异质结构。另外，氧空位是氧化物中一个难以回避的问题，它对氧化物的物理性质有着极其重要的影响。特别是在氧化物异质结的界面特性方面，氧空位是影响其性质的一个关键因素。该项目拟发展精确控制的LMBE生长技术,精确控制氧缺陷的数量，制备复杂结构、高品质的氧化物异质界面。结合正在发展的球差校正电镜技术和二阶非线性光学方法，对氧化物界面的微观结构，包括晶格变化、氧空位浓度，甚至包括电子全息下对界面电荷进行表征，为后续的关于氧化物异质结的界面特性研究提供材料基础和保障。2)发展分子束外延（MBE）技术，实现原子级尺度平滑的界面生长通过全面提升样品台，蒸发源，臭氧收集系统等关键部件的稳定性，和建立全自动生长的软件控制系统，实现单原子层级精确控制的氧化物薄膜的分子束外延生长技术。结合对高阶RHEED布拉格散射斑点的实时监控，晶体振荡器，蒸发源流量控制，以及Shutter自动控制，实现成熟的数字化地单原子层生长，即达到原子尺度的平滑，和精确控制各原子（包括掺杂）在晶体原胞的位置。同时，完善生长系统和其它insitu测量系统的高效接驳，以实现可靠的电子结构和输运性质测量。并结合小角XRD，卢瑟福背散射，XPS，TEM，EDX等外部结构和化学成分分析手段，达到对薄膜和界面质量的全面了解，帮助完善生长技术。把分子束外延技术应用在钙钛矿结构的氧化物异质界面，在实践中不断完善技术与数据库；同时构筑新的量子态，以及构筑不同量子态的异质结构，研究量子态随外界环境如外场、应力等的演化。寻找新的量子现象和调控的新途径，并为相关物性和电子结构测量打下坚实的基础。3)结合STM和CVD技术，制备高品质的单原子层异质界面。利用常压的化学气相沉积(CVD)技术和超高真空系统内部的超低压化学气相沉积(LPCVD)技术，在多种金属衬底上，比如Ni(111)单晶和多晶，Pt(111)以及Pt箔等，研究衬底晶形、界面晶格失配、界面热膨胀系数的失配、石墨烯和衬底的相互作用对于石墨烯生长的影响，获得高品质单原子层石墨烯的生长条件，从而构筑理想的异质界面。利用原子尺度的高分辨扫描隧道显微镜(STM),对于石墨烯的形貌和电子结构进行原位的精确表征，并在此基础上深入理解石墨烯生长的内在机制。通过引入不同的碳源和金属元素，控制生长具有特殊微观结构和界面缺陷态的单原子层异质界面，为研究其微观结构和探索新奇量子现象提供高品质样品。2.异质界面诱导的新奇量子态和新奇量子序1)异质界面的二阶非线性光学探测和研究建立和发展非线性光学技术在氧化物低维异质结构表界面探测技术，利用二次谐波、光学和频在内的二阶非线性光学方法研究其他手段难以探测的氧化物低维异质结构材料的界面特性。由于在各向同性的体材中没有二阶非线性响应，而在对称性出现破缺的表面、界面才会有响应，于是二阶非线性光学方法就成了对表面、界面敏感的独特探测手段。采用该方法探测氧化物低维异质结构界面，通过探测界面的声子与电子跃迁能谱、以及对出/入射光偏振态的调控与分析，获取包括界面对称性突变、界面晶格重构、及界面诱导的电荷有序相、自旋有序相、轨道有序相在内的各类信息。实现非线性光学技术在氧化物低维异质结构精确控制生长阶段的原位测量，来探索界面诱导的新奇量子态和新奇量子序的形成过程。通过测量界面的动态响应过程，研究不同界面序参量间的关联和耦合，例如多铁材料中电、磁极矩间的相互作用。2)氧化物异质界面的新奇量子态的光电子能谱研究采用角分辨光电子能谱（ARPES），研究氧化物异质界面的新奇量子态。结合电子结构测量、光学测量、输运测量与理论计算，理解异质界面的电子态、低能元激发以及带间跃迁的行为和其宏观物性的关系。钙钛矿结构是高温超导、巨磁阻锰氧化物、镍基电荷有序材料等等具有丰富物性的多种氧化物材料的共有结构。不同材料间晶格匹配高，便于构造异质结，而且通过生长不同的钙钛矿结构可实现维度的调节。因此将重点研究钙钛矿结构的氧化物异质结的电子结构，具体包括：研究LSCO，Bi2212等高温超导和绝缘体异质结的超导特性，Mott绝缘体-超导转变及其电子结构演化。生长高温超导/铁磁或反铁磁锰氧化物的异质结，构筑新的量子态，寻找他们相互作用所产生的新物理效应。通过选择不同的钙钛矿结构的基底，研究应力对于电荷/轨道/自旋有序的调节以及最终它们对量子态所产生的影响。如把立方锰氧化物系R1-xAxMnO3，（R：三价稀土金属离子，A：二价的Ca、Sr、Ba、Pb离子）生长在SrTiO3和LaAlO3两种不同的衬底上，在横向和纵向上分别对晶格产生拉升扭曲，调节其磁电阻和居里温度。研究SrTiO3/LaAlO3异质结，通过选择接触面是LaO/TiO2或者是AlO2/SrO来控制界面处的轨道杂化，进而控制其金属-绝缘体相变和磁性质的变化。通过光电子能谱，研究超薄膜及异质结，研究不同氧化物材料界面处的电荷转移行为，为这类氧化物异质结的器件化积累经验，用电子结构测量结果指导过渡金属氧化物器件的设计。从单层原子的微观尺度对NiO,V2O3,CrO2等经典氧化物体系的结构和电子结构参数进行调节，通过ARPES实验，研究其电子结构的演化，期望加深对凝聚态物理中的Mott相变等基础科学问题的认识。3)界面电子结构、新奇量子态的理论研究发展预言界面几何结构、界面量子态及量子序的全局优化方法。研究各种氧化物的界面态及由界面诱导的、不同于体相的、新奇量子态的性质，包括能带绝缘体与莫特绝缘体之间的界面，多铁性材料与磁性材料或铁电材料之间的界面等。研究氧空位缺陷、界面处阳离子互相混合等对界面量子态的影响。研究石墨烯与高介电常数绝缘体形成的界面的几何结构，理解石墨烯与绝缘体之间的化学成键对无质量Dirac费米子量子态的调制。根据表面构型配合全局优化（如Basin-Hopping）算法构建多元半导体界面模型，研究其界面的电子结构性质，如态密度、能级位置、波函数分布、界面相对于材料内部的能带带阶（bandoffset）、跃迁矩阵等，研究界面对光电子产生，及光生电子-空穴对的影响。3.异质界面的新奇物性及其机理研究1)异质界面与激子、载流子动力学行为研究界面在体材料带隙中产生的界面态，考察其对激子产生和拆分，光生载流子复合、扩散和漂移的影响。发展皮秒分辨的瞬时光电压和光电流技术，提高实验探测的稳定性和可重复性，建立能够描述具有界面特征的瞬时光电压和光电流实验的物理模型。由此，通过研究不同类型的界面（有机/有机、有机/无机、无机/无机）处的激子和载流子动力学行为，揭示激子界面拆分对包括瞬时光电压的极性转变和瞬时光电流的初始尖峰等界面效应的关系。研究界面相关的光生和电注入的载流子输运过程，揭示各种界面对电荷（自旋）注入效率的影响及界面过程的内在机理，以期揭示界面对激子、载流子动力学行为影响的普适规律。2)晶格/电荷/自旋/轨道之间的耦合对界面新奇物性的影响深入了解界面中不同序参量（包括电子电荷、自旋、轨道、晶格）之间的相互耦合与协同作用，提出准确描述界面量子态的模型哈密顿。通过选择不同的基底材料，研究外延应力对界面或超晶格电荷序/轨道序/自旋序的调制。研究极化激变（polarcatastrophe）导致的电荷转移和氧空位主导的电导机制，探讨绝缘氧化物界面二维电子气的形成机理和输运性质。研究界面诱导的轨道重构、量子尺寸效应、电子极化强度对界面磁性耦合的影响。研究外场（磁场和电场）调制界面电荷序/轨道序/自旋序的物理机制。3)氧化物低维结构光物理效应的关键影响因素和物理机制的研究从理论计算和实验出发，研究影响氧化物低维异质结构光电效应的关键因素及其物理机制。氧化物异质结构中界面能够导致新奇的光电性质，如氧化物异质结中纵向超快光电响应的发现和横向丹倍（Dember）光电响应的增强，这些新奇特性使得通过界面结构调控光电特性成为可能。实验上，研究氧化物不同异质结构中界面应力、界面电场、薄膜和超薄膜厚度、氧空位浓度、载流子迁移率以及外加磁场等因素对其光电性能的影响及其物理机制。理论上，通过对光场作用下氧化物异质结中载流子泊松方程和含时漂移-扩散方程的自洽求解，研究和揭示氧化物低维异质结构光电响应的动态过程和对其产生影响的关键因素。4.异质界面设计、修饰及功能化调控1)单原子层异质界面的修饰及功能化调控选用不同晶格的金属基底，调节石墨烯生长过程中的应力分布和局域电子结构，利用衬底与石墨烯间的异质界面，实现对石墨烯的微观结构、电子学特性、表面缺陷态乃至输运性质的调控。引入磁性的金属元素，对于石墨烯/金属(或半导体)异质界面和表面进行修饰，调控石墨烯微观结构和电子结构，探索体系可能存在的新奇量子现象，例如反常量子霍尔效应。制备石墨烯锯齿形点电极对阵列，设计并构建电极与分子材料界面确定的分子异质结，通过外场激励实现在分子水平上对材料的新奇量子特性的功能化调控。设计纳米电极与分子间的不同化学键合方式，如共轭化学键、非共轭化学键、半共轭化学键以及超分子键合等，利用电极与分子间不同界面实现对分子量子输运性能的调控。以单原子层材料与其周围环境所形成的异质界面为研究对象，通过对石墨烯的表面进行化学和物理功能化修饰，结合理论研究，揭示外界条件对石墨烯量子性质的调控机制。主要内容包括：石墨烯与其它单原子层材料（BN,ZnO）所形成的异质界面的修饰和功能调控；量子点（TiO2，Si,ZnO，GaAs，GaN）与石墨烯及其它单层材料所形成的夹心异质结构，以及染料分子的修饰所产生的调控；量子线（TiO2，Si,ZnO，GaAs，GaN）与石墨烯及其它单层材料所形成的夹心异质结构，以及染料分子的修饰所产生的调控。2)有机异质界面的光电过程及功能化调控针对光电器件中的激子拆分和载流子输运的关键物理过程，通过对界面的处理和修饰，在有效加强拆分效率、增大载流子浓度的同时，减小在电极与半导体界面的载流子损耗。例如，加入界面缓冲层，使拆分产生的载流子尽可能多地保留在器件内，并形成光电流；调节有机混合层的比例和厚度、或增加异质界面的层数，来最大限度地加大激子的界面拆分。研究激子拆分和载流子收集之间的关系，通过界面调控，使得激子拆分和载流子收集达到最优。研究有机分子与TiO2表面的界面结构，及其与界面电子耦合和动力学的关系，以实现通过界面缺陷、吸附构型调节界面电子结构和电子注入过程。从第一性原理出发研究吸附构型，以及不同有机分子，和界面缺陷结构如何影响界面能级排列。通过研究界面原