强关联研究新纪元--PPMS-SPM揭开相分离面纱

发布日期：2019-12-10

    在信息化的浪潮中，强关联材料体系由于其多种参量相互耦合并可以相互调控而显得尤为重要。新型低维材料中，对称性破缺可以在材料边缘引起有趣的边缘态，这种特性在传统氧化物体系中能否存在、是否可控，一直以来都备受科学界关注。
    复旦大学沈建教授拥有丰富的锰氧化物研究经验并在该领域实现很多开创性的工作。沈建教授课题组利用PPMS-SPM可在低温强磁场下对材料的磁畴进行精细测量的特点，对复杂锰氧化物薄膜的边缘态、电致电阻机制、化学有序度对薄膜物性的影响作系统研究并取得了重要科研成果。

一、传统材料新特性，复杂锰氧化物薄膜的“边缘态”及物性调控

    沈健教授课题组杜恺同学通过微纳加工制备了“条带”状(La,Pr)CaMnO3（LPCMO）薄膜。利用PPMS-SPM在低温、强磁场环境下观测“条带”样品磁畴的形状和分布，发现样品的边缘部分更易出现铁磁性磁畴。经过反复的实验验证和理论模拟，研究者发现正是由于空间对称性破缺导致了LPCMO薄膜在边缘部分更容易出现铁磁相，“条带”的边缘铁磁态对样品的输运性质有明显的影响，在边缘铁磁态出现的样品中样品更容易表现出金属性。该工作直观观测到复杂锰氧化物中的对称性破缺引起的“边缘态”，并在2015年2月将其成果发表在Nature communications，获学术研究者好评。(Du K, Zhang K, Dong S, et al. Visualization of a ferromagnetic metallic edge state in manganite strips[J]. Nature communications, 2015, 6.)

 在磁场环境下样品的磁畴并不均匀分布，其边缘部分更易出现铁磁性磁畴

二、复杂锰氧化物薄膜电致电阻内在机制的直观观测

    沈建教授课题组魏文刚、刘皓同学利用PPMS-SPM组件在低温下原位观测了电流激发前后LPCMO薄膜高低阻态的磁畴形状及分布。结果显示，电流基本不改变样品的铁磁比例，样品的磁畴形状在大尺度上并没有明显变化。随后，通过对测得磁畴图的仔细对比，他们惊喜地发现，在“关键”位置电流激发出了细小的铁磁畴，而这些细小铁磁畴起到的桥梁作用，将大的铁磁畴连接起来形成了导电通路。该工作通过原位观测的手段观测到电致电阻材料中激发出的导电通路，其成果于2016年1月发表在Physical Review B期刊。 (Wei W, Zhu Y, Bai Y, et al. Direct observation of current-induced conductive path in colossal-electroresistance manganite thin films[J]. Physical Review B, 2016, 93(3): 035111.)

在“关键”位置电流激发出了细小铁磁畴

三、化学有序度对物性的影响

    为了研究化学掺杂的有序度对复杂锰氧化物物性的影响，朱银燕等同学分别制备了化学组分相同的无序掺杂LPCMO薄膜和有序掺杂LCMO/PCMO超晶格薄膜。通过PPMS-SPM测量了样品在低温下的磁畴，发现有序掺杂的超晶格样品磁畴的平均面积更小并且表现出了更强的连通性。经过进一步的电输运测量，超晶格样品的金属绝缘体转变温度也远远高于无序掺杂样品。该工作通过实验深层次研究了化学有序度对锰氧化物强关联体系物性的影响，同时结合理论模拟给出了内在机制的阐述和解释，终成果于2016年7月正式发表。(Zhu Y, Du K, Niu J, et al. Chemical ordering suppresses large-scale electronic phase separation in doped manganites[J]. Nature communications, 2016,7.)

 有序掺杂和无序掺杂样品的磁畴图及电阻率随温度的变化

    目前沈健老师课题组已在PPMS-SPM组件上实现了AFM、MFM、PFM、CAFM等多种功能，并且实现了电输运等条件下的原位测量，更多重要的工作正在研究和发表过程中。我们非常高兴PPMS-SPM用户取得如此可喜的成绩，并祝愿所有QD产品的用户在科研上再上新台阶！