https://mp.weixin.qq.com/s/vPOOh0SYBNDv20iHWTkRZQ
今年正值LaAlO3/SrTiO3(LAO/STO)氧化物异质结导电界面发现二十周年，自LAO/STO界面发现至今，钙钛矿型过渡金属氧化物界面已然成为一个迷人且快速发展的研究领域，由于自旋、电荷、轨道和晶格等相互作用之间的耦合，涌现出多种独特和奇异的物理性质，如氧化物界面超导、界面二维电子气、自旋轨道耦合效应等，其中，界面超导性是该领域尤为引人注目的一方面。氧化物界面所展现的非常规超导行为研究人员提供了独特的平台，用于深入探索和理解超导性的新颖机制。这种超导性的出现不仅推动了基础研究的发展，而且为高性能氧化物电子器件的应用提供了新的可能性。在这个令人振奋的研究领域中，界面超导性的深入研究有望带来更多关于超导机制的深刻认识，为未来的科学和技术创新提供宝贵的启示。
有鉴于此，近日，上海大学理学院物理系高温超导重点实验室的尹鑫茂、蔡传兵和郭艳群团队在《Advanced Electronic Materials》期刊上发表了题为“LaAlO3/SrTiO3 Heterointerface: 20 Years and Beyond”的综述论文。
在这篇综述论文中，尹鑫茂教授团队首先回顾了氧化物界面在至今仍悬而未决的起源机制方面的几个传统模型以及各自的局限性。其中，极性突变模型是最早和最知名的模型之一，它涉及到界面处极性不连续引起的电子重构。虽然该模型成功地解释了金属-绝缘体转变和临界厚度为4 u.c.时界面电导率的出现，但对于其他界面现象如超导性和磁性，以及电荷转移幅度与理论预测之间的差异，存在解释上的不足。此外还有氧空位模型和阳离子混合模型，分别从氧空位缺陷和阳离子对位缺陷的角度解释界面导电性的出现，但也存在对电荷密度、临界厚度等实验现象不能完全解释的问题。结合传统模型和近年来的理论和实验研究，一种新的模型——极性场辅助形成表面氧空位被提出。新模型仍然将极性不连续作为界面物理现象产生的驱动力，但电荷传递机制则为LAO表层形成的氧空位提供的电子向界面的转移。该模型与大多数实验观察结果高度吻合，值得进一步深入研究。作为一个电荷、晶格、自旋和轨道动力学多重相互作用的高度复杂系统，氧化物异质界面上的量子准粒子在这些自由度之间的耦合中不可避免地出现。例如，等离激元和极化子已被多种手段检测到，它们所包含的远程电子-电子和电子-声子的相关关系对界面电荷动力学起重要作用。 除LAO/STO界面外，他们还注意到有许多其他新颖的氧化物导电界面的研究，并着重关注了氧化物界面超导和磁性的报道。在这些研究中，KTaO3(KTO)氧化物异质界面引起了广泛兴趣，其超导性质呈现出一系列引人注目的特征。具体来说，KTO界面的超导转变温度相比于传统的STO界面提高了一个数量级，并且显示出对衬底晶面取向的强烈依赖。以KTO(001)界面为例，已证明具有良好的导电性，但尚未有超导性的报道；而KTO(111)界面则表现出比KTO(110)界面更高的超导转变温度。此外，KTO界面超导还表现出面内各向异性“条纹”相，同时可通过栅极电压和自旋轨道耦合(SOC)调控，展现出独特性质。目前对于KTO异质结构的界面超导研究还处于初步阶段，其主要超导机制尚未达成共识，这一领域的探索令人充满期待。此外，在氧化物界面所有的新奇性质中，界面磁性是最令人意外的。除了总结了传统的STO基界面磁性的新发展外，文中还总结了5d轨道的KTO基界面磁性的最新发展。这些发现为氧化物界面磁性的研究提供了新视角，进一步拓展了对这一领域的理解。其他氧化物界面磁性的发现不仅加深了对氧化物导电界面性质的认识，同时为未来在磁性材料和器件领域的应用提供了新的可能性。 氧化物界面中丰富多样的性质使其在多个领域存在应用潜力，文中总结了氧化物界面在高性能场效应晶体管、独立异质结微膜、光电器件、随机式存储器和传感器等方面的最新发展，特别强调了将氧化物界面与现有硅基技术集成的机遇与挑战，并进一步展望这一激动人心领域的无限潜力。 上海大学理学院物理系硕士研究生陈顺风和宁苑杰为该论文的共同第一作者，上海大学理学院尹鑫茂和郭艳群教授，新加坡国立大学陈智新研究员为该论文的通讯作者，上海大学为第一完成单位。 近年来，团队所在的上海市高温超导重点实验室在高温超导关键成材技术、超导量子磁通涡旋、超导量子约瑟夫森结型器件、非常规高温超导、强关联氧化物电子自旋和超导强电应用等方向上形成了很好的国际化研究氛围，实验室青年人才在量子功能材料与高温超导领域具有很好的国际影响力，近年来主办国内外学术会议或在重要学术会议上作大会报告20余次，主持或参与国家重点研发计划、中科院战略先导专项或上海市重大重点项目、国家标准等十多项。
原文献链接：https://doi.org/10.1002/aelm.202300730