image: (a) 输运测量的的磁电阻曲线。(b)原子分辨iDPC图像表征了晶界原子结构。 view more
Credit: ©《中国科学》杂志社
晶界是一种由周期性的结构单元排列组成的二维的“相”，它可以表现出完美晶体所没有的新的性质。由于对称性破缺，晶界处原子成键发生连续性的改变，导致在3-4个单胞内化学环境的显著变化，进而改变局域的电活性、磁性等物性。在复杂氧化物中，由于多种序参量耦合，晶界的存在会更加显著影响器件的性能，甚至主导纳米尺寸的器件的整个响应。因此，利用晶界来设计新型功能器件近年来引起了广泛关注。
大家普遍认为，这些缺陷的性质是由其独特的原子环境决定的，将单个缺陷的性质与其特定的原子结构相关联是器件应用的关键和前提。然而，由于缺陷的化学结构的复杂性，从实验上揭示其结构和性质的直接对应关系（构效关系）是非常具有挑战性的，特别是对于含有多种元素的钙钛矿氧化物。
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近日，北京大学高鹏教授课题组与中国科学院物理研究所白雪冬研究员课题组、天津大学米文博教授课题组合作，揭示了不对称SrRuO3晶界自旋阀磁电阻的微观机制。这种不对称的原子结构与基于SrTiO3的常见晶界构型有很大的不同。输运测量表明，所制备的Σ5(310) SrRuO3晶界显示出了自旋阀效应。利用双球差矫正的扫描透射电子显微镜表征了其原子结构。同时，在此基础上进行了第一性原理计算，揭示SrRuO3晶界的电子结构。他们发现，由于非对称晶界附近的Ru-O八面体畸变，Ru d轨道发生轨道重构，晶界处的磁矩显著减小，导致了晶界与周围形成了类似铁磁/非磁/铁磁的自旋阀器件。通过电子显微学与第一性原理、输运测量相结合的方法，建立了SrRuO3晶界的构效关系。相关成果以“Atomic origin of spin-valve magnetoresistance at the SrRuO3 grain boundary”为题发表于《国家科学评论》（National Science Review, NSR）。
该工作帮助我们理解了SrRuO3晶界的负磁阻和自旋阀磁电阻的微观起源，当作为生长铁电薄膜的底电极时，SrRuO3晶界可能会诱发新的效应，比如界面磁电耦合。同时，为在原子尺度上控制缺陷结构来实现特殊的物理性质从而利用晶界缺陷构建新颖的低维器件具有指导意义。
相关论文链接：https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa004
Journal
National Science Review