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Nano Res.│上海科技大学翟晓芳教授团队:双原子层SrRuO₃中的超强二维磁性及临界导电行为转变

本篇文章版权为翟晓芳课题组所有,未经授权禁止转载。

背景介绍


自2017年二维铁磁体Cr2Ge2Te6和CrI3被发现以来,二维磁性立刻成为了凝聚态物理和材料科学研究领域的热点,并且很多二维磁性材料被陆续发现。得益于其低维特性,二维磁性在外部扰动下往往具有高度可调性,使其在下一代自旋电子学器件中有很大的应用潜力。然而,目前实验发现的二维铁磁材料绝大多数都是环境稳定性较差的范德瓦尔斯材料,且其横向尺寸往往只有微米量级,这严重限制了其在实用高集成度自旋电子学器件中的应用前景。因此,相较而言,可大面积制备且具有很好稳定性的磁性关联过渡金属氧化物薄膜无疑是一个很好的选择。在众多关联过渡金属氧化物中,SrRuO3是一个独特的4d巡游铁磁材料,具有高达160K的铁磁居里温度。过去十年中,大量的研究聚焦在SrRuO3超薄膜上,并发现磁性死层厚度约为4个原胞厚度,而近年来其磁性死层更是被降低至近乎单原子层。因此,对于SrRuO3二维磁性的研究将有利于开发基于过渡金属氧化物的高集成度自旋电子学器件。


成果简介


上海科技大学翟晓芳教授团队设计并精确制备了一系列基于单原子层或双原子层SrRuO3的SrRuO3/SrTiO3高质量超晶格。实验发现双原子层SrRuO3表现为强铁磁导体,其铁磁居里温度高达125K,饱和磁矩也达到1.2 µB/Ru,与块体材料相当。据我们所知,这几乎是关联氧化物体系中报道的最强二维磁性。此外,其电输运行为呈现出高温非费米液体到低温弱局域化行为的转变,通过对比不同样品,发现这种转变行为具有类似的温度依赖关系。形成对比的是,单原子层SrRuO3呈现出弱铁磁绝缘性。同时,X射线线性二色谱峰的劈裂也更进一步地证明了单/双原子层SrRuO3的量子限域效应及其二维特性。因此,本项工作揭示了双原子层SrRuO3的超强二维磁性,从而为未来开发基于过渡金属氧化物的高集成度自旋电子学器件奠定基础。


图文导读


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图1超晶格示意图及结构形貌表征


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图2各超晶格样品的电输运行为


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图3 各样品的磁性表征


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图4XMCD测试


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图5 XLD测试及Ru 4d轨道能级示意


作者简介


翟晓芳,上海科技大学物质科学与技术学院常任教授,研究员,博士生导师。课题组主要从事低维量子材料特别是磁性材料的激光分子束外延制备,研究其基本物理性质,并探索潜在的器件应用。详见课题组主页:https://spst.shanghaitech.edu.cn/zxf/list.htm。


文章信息


J. Zhang, L. Cheng, H. Cao, et al. The exceedingly strong two-dimensional ferromagnetism in bi-atomic layer SrRuO₃ with a critical conduction transition. Nano Research. https://doi.org/10.1007/s12274-022-4392-5.

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