量子材料科学中心高鹏课题组发现SrTiO3的室温反铁畸变相

钛酸锶（SrTiO3）是氧化物领域里最常用的衬底材料之一。其实它本身也具有非常丰富的物理性质。这些物性主要是由于其铁电序和反铁畸变（AFD）序等多种模式相互竞争的结果。其中，SrTiO3 中的AFD相具备直接带隙，被认为很可能是其蓝光发射和低温下巨大光电导率的物理起源。因此，设计产生和调控SrTiO3的AFD相是在量子顺电体SrTiO3中实现新奇光学、电学性质的一个有效途径。想要得到AFD相，常规的方法是对SrTiO3降至低温（105 K以下），SrTiO3会自然发生从顺电相转变为AFD的相变。

近日，北京大学物理学院量子材料科学中心和电子显微镜实验室高鹏研究员课题组和合作者在SrTiO3中发现了室温下的二维AFD相。他们利用对氧原子敏感的成像及定量原子像分析技术，首先解析了SrTiO3 Σ13晶界的原子结构，并在皮米精度上定量测量了其结构畸变。据此发现，在该晶界附近，相邻的氧八面体向相反方向旋转，表明产生了局域的AFD相。常规的SrTiO3室温相是立方结构，不存在氧八面体的旋转，而晶界附近的氧八面体旋转角最大可达~6.7°，比原来报道的低温下AFD相的旋转角还要大。原子尺度的电子能量损失谱学分析表明，这种局域的AFD序很可能是由于晶界附近的氧空位提供了电子掺杂，使得Ti离子半径变大，从而导致氧八面体膨胀而发生旋转。特别的，这种沿着晶界平面的室温AFD相的厚度只有6个晶胞，但是另外两个方向具有厘米尺寸，因此有望被制备成二维的光电导通道，在信息传输领域有潜在的应用。

该工作表明了晶界工程是设计新奇物相的一个有效手段。在复杂氧化物材料中，晶格、电荷等序参量之间通常存在强耦合作用。在这些材料的界面如晶界、位错等缺陷处，平移对称性破缺打破了化学键的连续性，改变了晶格与其他序参量耦合作用，进而使这些缺陷衍生出体态材料所没有的新奇物相。因此，通过晶界工程就有可能创造出一些新奇的低维物相。

 

图：SrTiO3 Σ13晶界附近的AFD相。（a）晶界附近Ti、O原子位置图像，图中箭头和连线标识了晶界附近TiO6八面体的旋转，而远离晶界处的SrTiO3相是常规的立方结构。（b）晶界附近AFD相的原子结构示意图。（c）晶格尺度TiO6八面体旋转（θh）分布图。

 

该项工作以“Two-dimensional room-temperature giant antiferrodistortive SrTiO3 at a grain boundary”为题，于2021年06月4日发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）上 【Phys. Rev. Lett. 126, 225702 (2021)】。北京大学物理学院量子材料科学中心研究生韩博为论文第一作者，北京大学物理学院高鹏研究员为论文通讯作者，合作单位包括中国科学院物理所白雪冬研究员课题组、东京大学Yuichi Ikuhara教授课题组。该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金委、量子物质科学协同创新中心、广东省重点研发计划、日本振兴学会和教育部的纳米平台项目、北京大学轻元素先进材料研究中心、北京大学电子显微镜实验室等的支持。

论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.225702