外延锰氧化物薄膜中氢化诱导的结构相变与电子特性调控

来源：知社学术圈

钙钛矿氧化物材料(ABO3)由于具有灵活可调的结构和丰富的电子特性（铁磁、铁电、多铁、超导和催化等），为当前材料和凝聚态等学科领域的研究热点之一。

前人主要通过A/B位金属阳离子掺杂，在钙钛矿氧化物中实现众多新颖的晶体结构和相关的电子特性。但是，这类传统的化学掺杂往往要求苛刻的反应条件（例如：耗时、高温和特殊气体氛围），严重制约了新型功能电子氧化物材料的探索。近日，深圳大学黄传威博士和电子科技大学、哈尔滨工业大学（深圳）和加州大学伯克利分校等单位合作，通过利用氢等离子体技术，在功能复杂氧化物薄膜中实现了晶体结构和磁、电输运的高效、快捷调控，为进一步探索复杂功能氧化物的结构和电子特性提供了新的研究手段。研究成果于2019年10月7号在Advanced Functional Materials在线发表。

作者利用等离子体具有较强的化学活性等特点，在较低温条件下(<350℃)将轻质量的非金属阳离子(H+)快速（<10 mins）嵌入于锰氧化物薄膜(La1-xSrxMnO3)中，并在该薄膜中成功诱导钙钛矿（PV）_钙铁石(HBM)的结构相变（图一）。该氢化过程导致的钙铁石结构(HBM)明显不同于之前热处理所获得的结果(BM)。同时，该HBM结构在大气环境下非常稳定。

图一：锰氧化物体系La1-xSrxMnO3中氢化作用诱导的钙钛矿(a)型到钙铁石(c)型的结构转变

相比于之前的热处理方式，该等离子体方法处理条件温和，操作过程简便、高效，极大地改善氢化条件。同时，该方法具有普适性，不仅在不同基片和生长氧压下的La1-xSrxMnO3(LSMO（7/3），x= 0.3)薄膜中实现钙钛矿转_钙铁石转变，而且在不同组分的钙钛矿锰氧化物外延薄膜(La1-xSrxMnO3，x=0.2, 0.3, 0.7)均得到类似的结构相变。经过高温退火后，氢化的HBM锰氧化物薄膜恢复至原始的钙钛矿PV结构（图二）。

图二：氢化与退火作用下La1-xSrxMnO3(x= 0.3)薄膜中的XRD θ-2θ结果（a）,外延性(b)和晶格变化情况（c）;

该氢化作用同时引起丰富可调的物理性能（图三）。对比于铁磁金属性的PV LSMO（7/3）原始薄膜，氢化后HBM薄膜呈现弱铁磁性，同时发现其常温电阻率增大5个数量级以上。高温退火后，LSMO（7/3）薄膜恢复至之前的铁磁金属性。进一步研究表明，氢化前后结构和性能的调控与该薄膜中锰离子的电子结构密切关联性。

图三：氢化前后La1-xSrxMnO3薄膜的磁、电输运特性的变化情况

值得再次强调，该调控方法简便、高效，处理条件温和，具有良好的普适性。该高效和通用的氢化手段为复杂功能氧化物的性能探索研究提供一条新的方向。深圳大学材料学院为该论文的第一和通讯单位，黄传威博士为本论文的通讯作者。其他合作单位包括电子科技大学，哈尔滨工业大学(深圳)，南方科技大学、美国加州大学伯克利分校、美国劳伦斯伯克利国家实验室、中国科学技术大学，以及厦门大学。