【DFT+实验】对称性失配诱导的界面铁磁性

4d钌酸盐（ARuO₃）作为复杂氧化物体系中一个重要的家族，表现出巡游铁磁性、磁性Weyl费米子、磁单极、非常规超导、非费米液体等一系列丰富多彩的物理性质。SrRuO₃作为唯一天然具有铁磁性和强自旋轨道耦合（SOC）的钙钛矿氧化物，成为该体系研究的明星材料。SrRuO₃高达160K的铁磁居里温度和良好的金属导电性使它在自旋电子学器件研究中具有巨大潜力，而由铁磁性和强SOC共存所导致的巨大反常霍尔效应、拓扑霍尔效应甚至量子反常霍尔效应等新奇物性也备受人们关注。然而，在各种4d、5d过渡金属氧化物中，SrRuO₃的巡游铁磁性似乎成为一个特例，使以此为基础的新型自旋/轨道器件设计带来局限性。4d、5d氧化物虽然具有较强的SOC，但由于d轨道能带的扩展导致电子关联性下降，通常难以形成长程磁序。人工设计出更多集强SOC和时间反演对称性破缺（即铁磁性）于一体的新材料体系，是目前自旋电子学研究中高度关注的问题。

图1.（CROn/STO₁）超晶格的微观结构表征和不同氧八面体倾转下态密度的第一性原理计算。

CaRuO₃的块体材料具有与SrRuO₃完全相同的GdFeO₃型正交晶体结构和电子构型。但由于 Ca 离子半径较小，使得CaRuO₃的Ru-O-Ru 键角仅为148°，远低于SrRuO₃的 163°。因此CaRuO₃体材料或薄膜材料在整个温区中均表现为顺磁金属性。中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心磁学国家重点实验室M03组近年来致力于氧化物异质界面物性设计及调控方面的研究工作，希望利用异质界面晶体场、应力场、电荷重组、轨道重构等效应，诱导出完全不存在于体相材料的界面新物态。最近，该组博士研究生时文潇在陈沅沙副研究员、孙继荣研究员的共同指导下，联合物理所A04组张庆华副研究员、谷林研究员，中国散裂中子源朱涛研究员等，成功利用结构近邻效应在CaRuO₃体系中诱导出了长程铁磁序。他们利用脉冲激光沉积技术在衬底基片上交替生长抗磁SrTiO₃ (a⁰a⁰a⁰) 和顺磁CaRuO₃（a⁻a⁻c⁺）两种对称性失配薄膜，获得了高质量的外延超晶格样品。利用界面氧八面体的耦合畸变，成功抑制了CaRuO₃层中RuO₆八面体的倾斜/旋转。扫描透射电镜的结果表明，界面处约3个晶胞厚度的CaRuO₃层的RuO₆八面体的扭转度被大幅度地调控，其Ru-O-Ru键角从~150° 增加至~165°，与SrRuO₃薄膜中的Ru-O-Ru键角较为接近。这种界面结构耦合的调控必然会带来电子结构的改变。第一性原理计算表明， RuO₆八面体的倾斜/旋转的抑制将大幅提高CaRuO₃费米面处的态密度（N(EF)），最终使得界面3个晶胞层CaRuO₃层将满足巡游铁磁性的Stoner判据（IN(EF)> 1，I为Stoner系数），由块体的顺磁态进入铁磁有序态。霍尔输运测量以及宏观磁测量给出了该体系出现界面铁磁相的充分证据，其最高居里温度约为120K，最大饱和磁化强度为~0.7μB/f.u.。各向异性磁电阻测量进一步表面CaRuO₃界面铁磁相的磁易轴在面内

方向。该工作报道了一种完全基于界面氧八面体耦合畸变设计产生界面铁磁性的示例，特别是构成异质界面的两种氧化物各自均不具备长程磁序，其部分原理也将适用于其他具有类似对称失配的氧化物体系，为探索多功能氧化物材料和器件提供了新思路。

【DFT+实验】对称性失配诱导的界面铁磁性

图2.（CROn/STO₁）超晶格的反常霍尔效应和磁电阻

本研究的相关内容以“Symmetry-mismatch-induced ferromagnetism in the interfacial layers of CaRuO₃/SrTiO₃ superlattices”为题发表在《先进功能材料》 (Advanced Functional Materials)上。M03组博士生时文潇、北京航天航空大学博士后张金娥和南方科技大学博士后陈晓冰为该论文的共同第一作者，通讯作者为陈沅沙副研究员和孙继荣研究员。该工作得到了科技部、国家自然科学基金委项目、中国科学院战略性先导科技专项和中国科学院重点项目的支持。该工作利用国内的大科学装置包括中国散裂中子源和上海同步辐射光源BL08U1A线站等。

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图3.（CROn/STO₁）超晶格的各向异性磁电阻测量

【DFT+实验】对称性失配诱导的界面铁磁性

图4.（CROn/STO₁）超晶格的宏观磁测量

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