氧化鉻（Cr2O3）是一類典型的磁電耦合反鐵磁材料，具有六方晶格結構。它的反鐵磁聶耳溫度超過室溫，可以與通用的CMOS電路相相容，同時它的絕緣特性也使其可用於磁隧道結的隔離層等。近些年，研究人員在氧化鉻和鐵磁性金屬的介面層觀測到受電壓調控的交換偏置，這一現象是製備非易失性儲存單元和邏輯處理器的基礎，進一步激發了人們對該材料的研究熱情。因此，氧化鉻也被認為是實現電場調控自旋電子學器件的候選材料之一。本徵的氧化鉻在其表面存在未飽和的自旋，產生非常弱的淨磁矩。然而，它的聶耳向量很難受到磁場的直接作用，因此實現雙場（磁場和電場）調控極為困難。過去，許多研究工作都集中在利用具有鐵磁性的過渡金屬陽離子摻雜來增強氧化鉻的鐵磁性。這種方法不僅會使氧化鉻受到化學應力而改變磁各向異性和磁電耦合係數，而且還可能會改變鉻離子的化學價態引起自旋態轉化。因此，尋找新的高效調控手段來改變氧化物的磁基態是研究者們孜孜以求的努力方向。
最近，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心的郭爾佳特聘研究員指導博士研究生林珊，與金奎娟研究員、谷林研究員和張慶華副研究員，以及中科院寧波材料技術與工程研究所的楊洪新研究員等人組成研究團隊，利用原位活性氮原子源輔助脈衝鐳射沉積技術實現了高精度可控氮離子摻雜的Cr2O3-1.5δNδ 外延單晶薄膜。透過X射線光電子能譜、電子能量損失譜以及二次離子質譜都證明了氮離子可以高效可控的摻雜進入Cr2O3-1.5δNδ薄膜中。研究人員利用非線性光學二次諧波、X射線衍射以及掃描透射電鏡觀測到，隨著氮離子濃度的增加，Cr2O3-1.5δNδ薄膜的晶體結構由三角晶格（ ）變為四方晶格（4）。
圖1. (a) 隨氮離子摻雜含量增加，Cr2O3-1.5δNδ薄膜的面外晶格常數逐漸增加。（b）Cr2O3-1.5δNδ薄膜的的高分辨透射電鏡顯示清晰介面和良好外延關係。（c）光學二次諧波證明摻氮後，Cr2O3-1.5δNδ薄膜的晶體對稱性由三角晶格（ ）變為四方晶格（ 4）。（d）M-H磁性測量顯示Cr2O3-1.5δNδ薄膜具有典型鐵磁性特徵。
同時，摻氮後的Cr2O3-1.5δNδ薄膜也從反鐵磁體轉變為鐵磁體，其居里溫度接近室溫。該實驗結果與第一性原理計算的結果高度吻合。我們利用高精度薄膜製備技術控制氮原子源的閉合，生長了Cr2O3（五原胞層）/Cr2O3-1.5δNδ （五原胞層）反鐵磁/鐵磁超晶格，並觀測到近200 Oe的交換偏置。當摻氮含量（δ）繼續進一步增加超過1時，Cr2O3-1.5δNδ薄膜也將從鐵磁性轉變為反鐵磁性。這是因為本徵的CrN薄膜的基態與Cr2O3薄膜相同，具有反鐵磁特性【詳見2020年103期：反鐵磁金屬氮化鉻超薄膜的電子態相變研究】。
圖2. （a）Cr2O3/Cr2O3-1.5δNδ反鐵磁/鐵磁超晶格結構示意圖。（b）X射線散射截面長度隨厚度變化曲線。（c）Cr2O3/Cr2O3-1.5δNδ超晶格的M-H曲線。（d）交換偏置，（e）矯頑場和（f）飽和磁化強度隨溫度變化趨勢。
本工作的意義在於實現了氧化物薄膜中高效可控的陰離子摻雜，利用活性離子源不僅可對氮離子摻雜，也可以用於其它陰離子（如F-和Cl-）和惰性氣體原子（He和Ne）的可控摻雜，為後續開展“功能氧化物陰離子工程（Anion-Engineering in Functional Oxides）”打下了研究基礎。這項工作為改變或提高本徵氧化物的基本物性和實用功能性提出了一個可行的方案，使原位摻雜陰離子成為氧化物中一個新的可調自由度。
本研究的相關內容以“Exchange Coupling in Synthetic Anion-Engineered Chromia Heterostructures”為題發表在Advanced Functional Materials上。
文章：
Adv. Funct. Mater. 2109828 (2021).pdf
編輯：樂子超人
