[发明专利]一种异质结材料及其制备方法和用途

说明书

本发明提供了一种异质结材料及其制备方法和用途。所述异质结材料包括SrIrO₃层以及位于所述SrIrO₃层上的锰氧化物层。所述制备方法包括：(1)沉积SrIrO₃层；(2)在SrIrO₃层上沉积锰氧化物层，得到所述异质结材料。本发明提供的异质结材料通过异质结界面极性不连续和SrIrO₃中强自旋‑轨道耦合能的共同作用下驱动了异质结界面的非对称电荷转移。通过调节异质结界面的极性不连续性以及连同SrIrO₃中强的自旋耦合能，可以有效地调控界面电荷转移的程度，从而实现调节异质结材料界面的磁耦合性能。

技术领域

本发明属于功能材料、数据存储材料和磁性材料技术领域，涉及一种异质结材料及其制备方法和用途。

背景技术

氧化物异质结的合成是目前设计新型功能材料的热点领域之一。与组成异质结的块体材料相比，氧化物异质结界面存在着电荷、自旋、轨道和晶格自由度之间的强相互作用，使异质结界面表现出许多奇特的物理性质。自从2001年，东京大学K.S.Takahashi课题组在研究CaRuO₃(顺磁)/CaMnO₃(反铁磁)异质结界面铁磁有序的起源问题中提出了电荷转移后，其成为了讨论氧化物异质结界面物理性质的一个核心问题。通常情况下，电荷转移可由相接触氧化物功函数差异或异质结界面极性不连续性所驱动。极性不连续性诱导的电荷转移最著名的模型是在极性LaAlO₃和非极性SrTiO₃绝缘体的异质结界面处形成了二维电子气。并且，在这种极性异质结界面处出现了绝缘-金属转变和铁磁性等奇特的物理现象。因此，通过操纵界面的极性不连续性，可以有效地调节氧化物异质结中许多重要的界面物理性质。

最近，具有强自旋-轨道耦合能的5d铱基过渡族金属氧化物吸引了研究人员广泛地兴趣。理论研究发现在强自旋-轨道耦合能作用下，5d铱基过渡金属氧化物蕴含着丰富的新奇物理性质，如复杂磁性、Weyl半金属和拓扑绝缘体等。而钙钛矿结构的SrIrO₃与锰氧化物构成的异质结成为研究3d/5d过渡族金属氧化物异质结界面磁耦合的理想平台。实验发现在SrMnO₃(反铁磁)/SrIrO₃(顺磁)异质结界面观察到铁磁基态和反常霍尔效应。即便SrMnO₃和SrIrO₃的功函数差异很小(4.99eV和5.05eV)，且界面是非极性的，但由于SrIrO₃中强自旋-轨道耦合以及界面d轨道重构，仍然发生了改变其界面物理性质的电荷转移。因此，利用极性不连续性和强自旋-轨道耦合的联合作用可能会对过渡族金属异质结界面物理性质的操纵带来挑战和机遇，以及广泛的潜在应用。

交换偏置效应作为一种典型的界面磁耦合现象，最早于1956年Meiklejohn和Been在CoO外壳覆盖的Co颗粒体系中首次发现。利用交换偏置效应设计的自旋阀读出头应用于磁盘驱动器可以很好的改善磁存储器件中读出头的灵敏度，让磁盘存储密度和性能得到了极大的提高。基于界面磁耦合性能的交换偏置效应在高密度磁信息存储和低功耗自旋电子器件等领域有着重要和广阔的应用潜力，因而越来越受到人们的广泛关注。一般认为，交换偏置效应起源于铁磁和反铁磁界面处的磁耦合作用，即反铁磁界面未补偿磁矩对铁磁磁矩的钉扎作用。然而在一些铁磁/顺磁(LaNiO₃)的薄膜体系中也观察到了交换偏置效应。实验发现，界面电荷转移导致了界面离子价态变化进而改变了界面的磁性行为。

CN104947192A公开了一种钙钛矿型SrIrO₃单晶薄膜材料的制备方法，包括如下步骤：S1：提供一钙钛矿型衬底；S2：对所述衬底进行清洗处理；S3：对所述衬底进行退火处理；S4：在氧化物分子束外延系统中采用Ir单质靶蒸发源、Sr单质靶蒸发源及氧源，在所述衬底表面外延生长钙钛矿型SrIrO₃单晶薄膜材料。但是方法得到的产品并不具备交换偏置效应。

发明内容