LaFeO3/LaNiO3超晶格中的高温铁磁性：界面调控引发的磁学新突破

时间：2025年4月19日

来源：Nature Communications

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为探究复杂氧化物界面电荷转移及磁性调控问题，研究人员开展了 LaFeO₃/LaNiO₃（LFO/LNO）超晶格的研究。他们发现该超晶格呈现强铁磁性，居里温度高达 608K ，这为探索新磁电及多铁性材料、应用于自旋电子学等领域提供了可能。

在材料科学领域，磁学性能优异的材料一直是研究热点。传统的磁性材料在性能上存在一定局限，难以满足日益增长的技术需求。比如，一些磁性材料的居里温度较低，在高温环境下无法保持稳定的磁性；还有些材料的磁性调控手段有限，难以实现精准的性能优化。而复杂氧化物界面因其独特的电子和磁性特性，成为突破这些局限的关键研究方向。但目前对于由两种后过渡金属氧化物组成的异质结构中的电荷转移研究较少，尤其是当异质界面或超晶格的组成部分厚度精确控制到钙钛矿氧化物的单个晶胞（~0.4nm）时，相关研究极为匮乏。

为了深入探索复杂氧化物界面的奥秘，中国科学院物理研究所、中国科学院大学物理科学学院等机构的研究人员开展了关于 LaFeO₃/LaNiO₃（LFO/LNO）超晶格的研究。他们通过精确控制 LNO 子层的厚度来调控电荷转移，进而研究超晶格的磁性和电学性能。该研究成果发表在《Nature Communications》上，为磁性材料的发展开辟了新方向。

研究人员在开展此项研究时，运用了多种关键技术方法。在样品制备方面，采用脉冲激光沉积（PLD）技术在 SrTiO₃（STO）(001) 衬底上交替堆叠 LNO 和 LFO 层，生长出高质量的 LNO_n/LFO₁超晶格。在样品表征上，借助反射高能电子衍射（RHEED）原位监测超晶格生长过程；利用 X 射线衍射（XRD）和高分辨率扫描透射电子显微镜（STEM）确认超晶格的外延生长和结构；通过量子设计振动样品磁强计（VSM-SQUID）测量磁性，物理性能测量系统（PPMS）测试输运性质，磁力显微镜（MFM）观察磁畴微观结构，X 射线吸收光谱（XAS）确定阳离子价态和电荷转移情况。

创建具有阳离子层状有序结构的 LNO_n/LFO₁超晶格

研究人员利用脉冲激光沉积技术，在 STO (001) 衬底上成功制备了 LNO_n/LFO_m超晶格，其中 n 从 1 到 5 变化，LFO 层固定为 1 个晶胞厚度。RHEED 监测显示 LNO 和 LFO 薄膜均为二维逐层生长模式。XRD 和 STEM 结果证实了高质量超晶格的外延生长，且当 n≥3 时，卫星峰表明存在化学调制结构和清晰界面；n≤3 时，超晶格处于压应变状态，n>3 时则为拉应变状态。EELS 图谱显示了周期性层状结构的外延生长，且 Fe 和 Ni 离子的阳离子混合局限在 LFO 的 1 - 2 个晶胞内。由此，成功制备出具有 Fe 和 Ni 阳离子层状有序结构的高质量 LNO_n/LFO₁超晶格。

新型铁磁超晶格的磁性和输运性质

LNO 是顺磁金属，LFO 是 G 型反铁磁绝缘体。当它们沿 (001) 方向外延生长形成 LNO_n/LFO₁超晶格时，表现出强烈的铁磁性，且铁磁性与 LNO 的堆叠厚度 n 密切相关。在 300K 测量的磁滞回线显示，所有样品都具有铁磁行为特征，n = 1 时饱和磁化强度最高。通过定义的温度系数 TCM 确定居里温度 T_C，发现所有超晶格样品的 T_C均远高于室温，n = 1 时 T_C=608K 。此外，测量 LNO_n/LFO₁（n = 1,3 和 5）超晶格样品的温度依赖电阻率发现，所有样品均呈现半导体行为，而 LaFe_0.5Ni_0.5O₃薄膜为高绝缘性。这种磁性和导电性的差异可能与 Fe 和 Ni 阳离子在 B 位的有序排列程度有关。

磁力显微镜表征的磁畴微观结构

研究人员利用磁力显微镜（MFM）对 LNO₁/LFO₁超晶格的磁畴微观结构及其在外加磁场下的演变进行研究。在 2K 不同面外磁场下获得的磁图显示，零场冷却后样品沿 z 方向磁化强度几乎为零。施加正向磁场时，离散的向上磁畴出现并不断生长，在 + 20kOe 饱和磁场下达到向上的单畴状态。施加负向磁场时，在约 - 250Oe 的矫顽场处，单畴状态转变为向上和向下磁畴的碎片，对应 M - H 回线中的零净磁化强度。磁畴演变在磁场扫描过程中具有重复性，进一步证实了超晶格样品的强磁性是本征的。

讨论

在 3d 钙钛矿氧化物中，磁性交换相互作用通过氧化物离子桥接的相邻 B 阳离子中心的 d 轨道（主要由 e_g轨道主导）发生，即 “超交换相互作用”。根据 Goodenough - Kanamori - Anderson 规则，LFO 中的 Fe^{3 +}离子为反铁磁态，LNO 中的 Ni^{3 +}离子具有接受电子的性质。超晶格中的强铁磁性可能源于 LFO 到 LNO 层的电子转移，通过氧 2p 带和 3d 带的杂化，在 Ni^{2 +}和 Fe^{4 +}离子之间形成共价交换耦合。XAS 测量结果证实了 LNO_n/LFO₁超晶格样品中存在从 Fe 到 Ni 离子的电荷转移，且转移电子数与镍酸盐厚度密切相关。电荷转移后，3d 带和氧 2p 带的杂化增强，但由于 LNO 的强共价性，电荷转移和再杂化之间存在竞争，限制了界面转移的电子数。此外，LFO 单层与 LNO 界面处可能呈现螺旋磁序（HM）。然而，X 射线磁性圆二色性（XMCD）测量显示 Fe 和 Ni 的局部磁矩可忽略不计，且其测量值与 SQUID 磁强计测量值存在较大偏差，强铁磁性的确切起源仍有待进一步研究。

综上所述，研究人员通过精确控制电荷转移和界面轨道杂化，制备出由 LNO_n/LFO₁组成的后过渡金属氧化物超晶格，该超晶格展现出强铁磁性，其居里温度远高于室温。这种具有半导体和铁磁性质的 LNO₁/LFO₁超晶格，可视为具有 B 位层状有序结构的 La₂FeNiO₆新型双钙钛矿相，在自旋电子学领域具有广阔的应用前景。同时，该研究为深入理解复杂氧化物界面的电荷转移和磁性调控提供了重要依据，也为新型磁性材料的设计和开发开辟了新途径。