物理地点氧空位有序诱导的高温铁磁钴氧化物薄膜研讨中获发展

高效调控氧空位的有序散布是对功用氧化物物态调控的重要手法之一。现在，学界已把握了使用应力和化学势等手法改动氧化物中的氧含量。这些技能对功用资料在人工智能、传感、储能、催化等范畴具有重要的使用需求。已有的理论核算和试验成果均标明，在衬底施加的张应力效果下，氧化物薄膜的氧空位构成能明显下降而离子搬迁能会明显进步，构成资料氧含量的缺失;但衬底施加的压应力简直不会改动薄膜中的氧含量。这种应力对氧空位构成能和搬迁能的非线性调控效应限制了压应力对功用薄膜物态多维度调控的才能。

钙钛矿型钴氧化物(LaCoO3)具有丰厚的自旋态转化现象、较低的氧空位构成能和较高的离子搬迁能。中国科学院物理研讨所/北京凝聚态物理国家研讨中心特聘研讨员郭尔佳带领团队在曩昔两年一向重视钴氧化物薄膜中自旋态与晶格的构效联系，使用静水高压、外表描摹、晶格应力、薄膜厚度等条件调控LaCoO3的微观磁性，宣布了系列研讨成果(Phys. Rev. Lett. 122, 187202 (2019);Science Advances 5, eaav5050 (2019);Phys. Rev. Mater. 3, 014407 (2019);Phys. Rev. Mater. 3, 114409 (2019))。2020年，该研讨团队使用无限层铜氧化物的结构相变，完成了单原胞层厚度、强磁性的LaCoO3超薄膜，处理了单原胞层磁性氧化物难以在功用器材中使用的难题(Adv. Mater. 33, 2001324 (2021))。曩昔一段时间，学界重视LaCoO3薄膜在张应力效果下表现出的失常铁磁绝缘特性，不管选用何种调控手法，其居里温度始终坚持约80 K。普遍以为LaCoO3薄膜在压应力下，Co3+离子处于低自旋态，不会表现出长程有序的铁磁性。针对钴酸镧薄膜是否可以经过物理调控手法进步其铁磁居里温度并坚持其绝缘特性成为该研讨范畴要点重视的问题。寻觅和发现新的室温铁磁绝缘资料将为低能耗、高效率的绝缘体自旋电子学器材供给备选资料。

最近，副研讨员张庆华、研讨员谷林和郭尔佳等组成研讨团队，使用原位真空退火压应力效果下的LaCoO3薄膜，诱导氧离子脱出并构成穿插摆放的氧空位有序，完成了居里温度约为284 K的近室温绝缘铁磁特性的LaCoO2.5薄膜。研讨团队使用球差校对电子显微镜，准确定量研讨了La3+和Co2+等重离子的原子位移、O2-离子方位、CoO5四棱锥和CoO6八面体的协同歪斜和晶格畸变等原子标准特色，确认了一个以往从未观测到的全新的结构相(命名为X-phase LaCoO2.5)。研讨团队以为衬底供给的压应力在新相的构成中扮演了重要人物。压应力迫使缺失了顶角氧离子的CoO5四棱锥发生巨大的面内晶格胀大，然后削弱了晶体场的劈裂，导致了Co2+离子发生高自旋态的有序摆放。试验上，研讨团队观测到具有新结构X相的LaCoO2.5薄膜的饱和磁化强度约0.25 μB/Co(10 K)，与他们使用榜首性原理核算得到的磁矩符合。

上述研讨成果标明，使用压应变对功用氧化物薄膜中的氧空位进行精准调控是彻底可行的。此外，研讨团队还以为该应力调控办法对铁氧化物、锰氧化物、镍氧化物等低氧空位构成能等相关资料系统具有普适性，以为该研讨是未来发明新颖晶体构型和别致物性、完成高效界面物性调控的新途径之一。相关研讨成果以Near-Room Temperature Ferromagnetic Insulating State in Highly Distorted LaCoO2.5 with CoO5 Square Pyramids为题，宣布在Nature Communications上。

张庆华为论文榜首作者，谷林和郭尔佳为论文的一起通讯作者。博士研讨生昂扬和孟繁琦担任电镜样品制备和榜首性原理核算作业，博士研讨生金桥和林珊担任样品制备和磁性丈量作业。该研讨取得科学技能部要点研制方案青年项目、国家自然科学基金委、北京市科技新星方案、北京市自然科学基金、中科院战略性先导科技专项(B类)等的支撑。此外，该作业还使用了北京正负电子对撞机4B9B线站进行X射线吸收谱丈量。

图1.不同退火条件下的LaCoOx薄膜的高分辩扫描电镜图和选区电子衍射斑。（a）LaCoO3（b）LaCoO2.67（c）nLaCoO2.5（X相）

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图2.新有序相原子结构的定量分析及磁性表征。（a）nLaCoO2.5相的iDPC图画，La（绿色）、Co（粉色）和O（赤色）原子显现在结构模型中。（b）圆形和多面体掩盖在iDPC图画以显现出原子位移和多面体倾转状况。（c-e）分别为La原子面外方向位移、面内Co-Co间隔和CoO5四棱锥歪斜角的定量计算。（f-h）分别为LaCoO3和nLaCoO2.5薄膜的M-T曲线以及在10 K和200 K时的M-H曲线