项目名称：半金属氧化物及其异质结构的自旋输运和调控

提名单位：江苏省教育厅

项目简介：

该项目属于自旋电子学领域。自旋电子学是跨基础科学、工程设计和产业生产的庞大领域，同时具有重大科学价值和商业应用价值，加大对新型自旋器件的研究力度，走自主创新的道路，推进研究成果产业化，将有助于我国在未来信息产业的新一轮竞争中取得主动和优势。该项目聚焦高自旋极化材料的探索与新型自旋器件基础问题，针对限制器件应用的高磁场、低温、低效、自旋相关效应幅值低等瓶颈，开展基础性和前瞻性的理论研究。该项目的第一完成单位是国内开展半金属材料研究的早期单位之一，该项目围绕“半金属氧化物及其异质结构的自旋输运和调控”这一关键科学问题持续研究十余年，始终与国际自旋电子学领域的发展同步，取得了一系列重要创新性成果，为半金属氧化物材料研究提供科学依据，为器件设计奠定理论基础，具有重要的科学价值。主要科学发现如下：

1.半金属氧化物自旋输运网络模型和微观机制的建立和调控。针对各种半金属氧化物的非均匀和颗粒复合体系，提出依据体系不同的微结构和可能的输运微观机制，创新地建立相应网络模型，研究体系的电磁输运特性；认识不同体系的电磁输运微观机制有别,创新性地将无序电阻网络、关联电阻网络和小世界电阻网络等理论模型应用于半金属氧化物颗粒复合体系自旋输运的研究；提出利用逾渗机制调控介观输运网络结构,增强磁电阻效应,为如何设计可控性高且幅值大的磁电阻体系提供重要科学依据。

2.提出半金属新型异质层状界面结构，论证可以实现零质量、无耗散、100%自旋极化输运。(a)提出半金属氧化物CrO₂/TiO₂超薄膜和超晶格异质结构，发现100%自旋极化Dirac型能带结构，提出CrO₂/TiO₂超薄膜结构是具有较大拓扑能隙（43 K）的陈绝缘体，将实现量子反常霍尔效应的材料体系拓展至工业常用材料（CrO₂），提供实现高能效电子学和自旋电子学存储器件的新材料和新结构。(b)提出LaAlO₃/SrMnO₃超晶格结构，揭示异质磁性界面上的电子结构重构机制，发现界面100%高自旋极化二维电子气，提出解决在纳米级自旋电子学器件中如何产生高自旋极化载流子难题的新策略。(c)提出LaAlO₃/EuTiO₃超晶格结构，发现100%高自旋极化的二维空穴气，填补异质结构中p型自旋极化界面缺乏的空白，预测低温下自旋极化电子-空穴对自旋三重态的激子凝聚现象，揭示无耗散自旋输运的纳米器件设计新途径。

3.确认高压下半金属氧化物的磁性质和微结构变化，为在极端条件下半金属氧化物的应用奠定科学基础，拓宽其应用范围。为保证高压等极端条件下自旋电子学器件的有效应用，提出研究半金属氧化物Fe₃O₄高压下的磁性质，发现其在高压驱动下的多个晶格结构转变，从根本上解决高压相晶格结构实验上不明确的问题，揭示高压导致的自旋态转变，拓展Fe₃O₄作为半金属氧化物在自旋电子学领域的应用范围。

5篇代表性论文分别发表在Phys. Rev. B、Nano Lett.、ACS Nano、Phys. Rev. Applied、J. Am. Chem. Soc.等本领域重要期刊。4篇博士论文获得江苏省优秀博士学位论文。

主要完成单位：苏州大学；北京大学；浙江师范大学

主要完成人情况

代表性论文（专著）目录