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外围投注:翟晓芳

时间:2019-09-13浏览:9787设置

翟晓芳课题组介绍


课题组长 

Group Leader


翟晓芳,副教授、研究员
通讯地址:外围投注4号楼116

电子邮件:zhaixf@@shanghaitech.edu.cn

1997-2002 中国科学技术大学物理系,获学士学位

2002-2008 美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校(UIUC)物理系,获博士学位

2008-2009 美国加州大学伯克利分校(UC-Berkeley)材料系,博士后

2010-2019 中国科学技术大学微尺度物质科学国家研究中心,副研究员

十大外围投注平台外围投注,副教授、研究员



研究介绍 

Research Interest



新型磁性量子材料和器件研究非常重要,不仅是发展自旋电子学器件的基。彩峭黄埔延胁牧虾推骷功能壁垒的关键。我们主要通过激光分子束外延,操纵单个原子层的堆叠“lego”结构,在单原子基础上发展人工结构新材料,研究新型物理机制和结构作用下,包括(1)原子层级别界面效应;(2)二维单原子层;(3)电荷及自旋有序性等,磁性薄膜和器件的物性表现和深层原理,探索具有超小尺寸、超快响应等迫切需求的磁性量子材料和器件。

图1:激光分子束外延设备


图2:标准规范的实验室环境

具体研究中,我们主要利用激光分子束外延设备(图1)和微纳加工工艺,制备新型磁性薄膜和存储记忆类器件。我们通过界面工程、应力调控、少层原子维度调控等手段,发展具有新型性能的磁性薄膜,例如多重磁易轴(例一)、高温铁磁绝缘性(例二)等,在此基础上,制备基于新型磁性薄膜的记忆存储类器件,主要包括磁隧道结(MTJ)、类脑突触芯片、以及柔性器件等。

以下为近期主要发表成果:

1. 与常规掺杂相比,在反掺杂的过程中,载流子会导致带隙增加,电导率降低。到目前为止,反掺杂效应只在一些具有“负电荷转移”的过渡金属氧化物中观察到,在实验中还没有在主族氧化物中观察到反掺杂效应。我们制备了一系列含不同氧缺陷的BaBiO3-δ (0≤δ≤0.25)薄膜。通过一系列的光谱实验和结构测试证明了通引入氧空位能够使BaBiO3-δ晶格呼吸畸变变弱,带隙增大(如下图所示)。一系列实验和理论研究表明,在没有强关联性的主族氧化物材料中,晶格的呼吸畸变也可以触发反掺杂效应。

例1:BaBiO3-δ (0≤δ≤0.25)晶体结构和能带结构变化示意图

Ref: Nano Lett. 21, 3981?3988 (2021).

2. 单原子层磁性薄膜由于不具备层间耦合,其磁性表现为和多层薄膜不同。我们制备了单原子层SrRuO3薄膜,将其封装在SrTiO3保护层中,发现单原子层的SrRuO3薄膜仍然具有铁磁性,但其各项异性发生了本质改变,表现为一种新型的8重对称性(如下图所示),即自旋方向在<111>轴的8个方向均能稳定保持,这是以往磁性多层膜和单晶中没有被发现过的性质,预示了单层磁性薄膜可以被用于多态存储。

例2:可用于多态储存的单原子层薄膜新型8重磁各项异性

Ref: Sci. Adv. 6, eaay0114(2020).

3. 自然界中绝大多数铁磁材料都是导体,反铁磁材料都是绝缘体。反之,铁磁绝缘体和反铁磁导体都很难存在。这是由于铁磁性需要电子具有一定的巡游性,有利于不同晶格位置电子和电子之间的铁磁性交换相互作用,而绝缘体的局域电子的磁性相互作用需要经过负离子(如O2-)的超交换相互作用。我们发现LaCoO3的薄膜在拉应力作用下,具有高达90K的铁磁绝缘态(如下图所示),而类似铁磁绝缘体EuS的工作温度仅为16K。这一不同寻常的高温铁磁绝缘态和Co原子的自旋态有序分布有关。

例3:应力、氧空位含量共同调控磁性的三维相图

Ref: PNAS 115(12), 2873-2877(2018).

4. 很多磁性材料都是小带隙半导体,非常适合应用于半导体器件中。我们制备了小带隙半导体Sr2IrO4和铁电体BaTiO3的双层薄膜,其中Sr2IrO4的小带隙来自于自旋轨道耦合作用和库伦相互作用,是一种非常新颖的反铁磁材料。我们发现通过施加电。ㄈ缦峦妓荆,氧空位和电荷能够在双层膜之间来回转移,并且可重复性高达10000次以上。这一器件的稳定性远超很多单层阻变薄膜的稳定性,这和双层膜之间的能带匹配有很大关系。在此基础上,我们实现了类脑突触的记忆和遗忘功能。

例4:基于磁性半导体Sr2IrO4的类脑突触芯片

Ref: APL 114, 102904(2019).

本课题组诚聘博士后研究员和研究生,待遇优厚,工作环境优越,欢迎有志于在材料物理、器件物理等领域开展最前沿研究的学生学者加入!有意者请直接与翟晓芳邮件联系。



代表性论文 

Select Publications



  1.      G. Liang, L. Cheng*, J. Zha, H. Cao, J. Zhang, Q. Liu, M. Bao, J. Liu, X. Zhai*, In-situ quantification of the surface roughness for facile fabrications of atomically smooth thin films, Nano Res. accepted (2021).

  2.      H. Cao, H. Guo, Y. Shao, Q. Liu, X. Feng, Q. Lu, Z. Wang, A. Zhao, A. Fujimori, Y. Chuang, H. Zhou*, and X. Zhai*, Realization of Electron Antidoping by Modulating the Breathing Distortion in BaBiO3, Nano Lett. 21, 3981?3988 (2021).

  3.      Z. Cui, A. Grutter, H. Zhou, H. Cao, Y. Dong, D. Gilbert, J. Wang, Y.-S. Liu, J. Ma, Z. Hu, J. Guo, J. Xia, B. Kirby, P. Shafer, E. Arenholz, H. Chen*, X. Zhai*, Y. Lu. Correlation-Driven Eightfold Magnetic Anisotropy in a Two-Dimensional Oxide Monolayer, Sci. Adv. 6, eaay0114 (2020).

  4.        D. Meng#, H. Guo#, Z. Cui, C. Ma, J. Zhao, J. Lu, H. Xu, Z. Wang, X. Hu, Z. Fu, R. Peng, J. Guo, X. Zhai*, G. Brown, R, Knize, Y, Lu,* “Strain-induced high-temperature perovskite ferromagnetic insulator”, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 115(12), 2873-2877 (2018).

  5.           X. Zhai*, L. Cheng, Y. Liu*, C. M. Schlepu?tz, S. Dong*, H. Li, X. Zhang, S. Chu, Li. Zheng, J. Zhang, A. Zhao, H. Hong, A. Bhattacharya, J. N. Eckstein, C. Zeng, “Correlating interfacial octahedral rotations with magnetism in (LaMnO3+δ)N/(SrTiO3)N superlattices”, Nat. Commun. 5, 4283 (2014).

  6.        X. Zhai, C. Mohapatra, A. B. Shah, J.G. Wen, A. Bhattacharya, J. M. Zuo, and J. N. Eckstein, “New optical absorption bands in atomic layer superlattices”, Adv. Mater. 22, 1136 (2010).

  7.           X. Zhai, A. J. Grutter, Y. Yun, Z. Cui, and Y. Lu, “Weak magnetism of Aurivillius-type multiferroic thin films probed by polarized neutron reflectivity”, Phys. Rev. Mater. 2, 044405 (2018).

  8.        J. Deng#, B. Xia#, X. Ma#, H. Chen, H. Shan, X. Zhai, B. Li, A. Zhao*, Y. Xu*, W. Duan, S. Zhang, B. Wang*, J. G. Hou, Epitaxial growth of ultraflat stanene with topological band inversion, Nat. Mater. 17, 1081 (2018).

  9.        H. Xu, A. J. Grutter, Z. Cui, Z. Wang, X. Zhai*, Y. Lu*. The charge carrier transport with low temperature anomalies in engineered 4d/5d oxide superlattices of (Sr2IrO4)4/(Sr3Ru2O7)N. Phys. Rev. B 101, 155151 (2020).

  10.           Q. Feng#, D. Meng#, H. Zhou, G. Liang, Z. Cui, H. Huang, J. Wang, J. Guo, C. Ma, X. Zhai*, Q. Lu*, and Y. Lu*, “Direct imaging revealing halved ferromagnetism in tensile-strained LaCoO3 thin films”, Phys. Rev. Mater. 3, 074406 (2019).

  11.           H. Xu, X. Zhai*, Z. Wang, Z. Cui, Z. Fu, Y. Lu*, “An epitaxial synaptic device made by a band-offset BaTiO3/Sr2IrO4 bilayer with high endurance and long retention”, Appl. Phys. Lett. 114, 102904 (2019).

  12.           C. Liu, F. An, P. Gharavi, et al. Large-scale multiferroic complex oxide epitaxy with magnetically switched polarization enabled by solution processing, Nat. Sci. Rev. 7, 84-91 (2020).

  13.        S. Zhu, D. Meng, G. Liang, G. Shi, P. Zhao, P. Cheng, Y. Li, X. Zhai, Y. Lu, L.Chen* and  K. Wu*, Proximity-induced magnetism and an anomalous Hall effect in Bi2Se3/LaCoO3: a topological insulator/ferromagnetic insulator thin film heterostructure, Nanoscale 10, 10041-10049 (2018).

  14.        Z. Cui, X. Zhai, Yi-De Chuang, H. Xu, H. Huang, J. Wang, Z. Fu, R. Peng, J. Guo, and Y. Lu, “Resonant inelastic x-ray scattering study of Bi6Fe2Ti3O18, Bi6FeCoTi3O18, and LaBi5FeCoTi3O18 Aurivillius-phase oxides”, Phys. Rev. B 95, 205102 (2017).

  15.           D. Meng, X. Zhai*, C. Ma, H. Huang, Y. Yun, Y. Huang, Z. Fu, R. Peng, X. Mao, X. Chen, G. Brown, Y. Lu, “Self-modulated nanostructures in super-large-period Bi11(Fe5CoTi3)10/9O33 epitaxial thin films”, Appl. Phys. Lett. 106, 212906 (2015).

  16.        Y. Yun, C. Ma. X. Zhai*, H. Huang, D. Meng, J. Wang, Z. Fu, R. Peng, G. J. Brown, and Y. Lu*, “Interface engineering in epitaxial growth of layered oxides via a conducting layer insertion” Appl. Phys. Lett. 107, 011602 (2015).

  17.        L. Li, H. Li, X. Zhai*, C. Zeng*, “Fabrication and Magnetic Properties of Single-Crystalline La0.33Pr0.34Ca0.33MnO3/MgO nanowires”, Appl. Phys. Lett. 103, 113101( 2013)  (Sep.9th issue cover).

  18.        Y. Yun, X. Zhai*, C. Ma, H. Huang, D. Meng, Z. Cui, J. Wang, Z. Fu, R. Peng, Gail J. Brown and Y. Lu*, “Growth of single-crystalline Bi6FeCoTi3O18 thin films and their magnetic–ferroelectric properties”, Appl. Phys. Express 8, 054001 (2015).

  19.           X. Zhai*, C. Mohapatra, A. B. Shah, J.-M. Zuo, J. N. Eckstein, “Magnetic properties of atomic layer superlattices of (SrTiO3)N/(LaMnO3)N”, J. Appl. Phys. 113, 173913 (2013).

  20.           Z. Wang, X. Zhai*,Z. Fu, and Y. Lu, “Tuning LaAlO3 lattice structure by growth rate at the picometer scale in LaAlO3/SrTiO3 heterostructures”, J. Appl. Phys. 124, 125305 (2018).

  21.           X. Zhai*, Y. Yun, D. Meng, Z. Cui, H. Huang, J. Wang, Y. Lu,* “Research progress of multiferroicity in Bi-layered oxide single-crystalline thin films”, Acta. Phys. Sin. 67, 157702 (2018).

  22.           H. Cao, Y. Liu, G. Liang, A. Zhao, X. Zhai*, “Unraveling interfacial strain and interfacial lattice reconstruction mechanism of ultrathin LaMnO3+δ layers in LaMnO3+δ/SrTiO3 superlattices”, J. Appl. Phys. 122, 085309 (2017).

  23.        J. N. Eckstein, M. Zheng, X. Zhai, B. Davidson, M. Warusawithana, S. Oh, “Atomic layer-by-layer molecular beam epitaxy of complex oxide films and heterostructures”, Chap. 21, Molecular beam epitaxy : from research to mass production, edited by Mohamed Henini, Elsevier (2013)  

  24.        C. He, A. Grutter, M. Gu, N. D. Browning, Y. Takamura, B. J. Kirby, J. A. Borchers, J. W. Kim, M. R. Fitzsimmons, X. Zhai, V. V. Mehta, F. J. Wong, and Y. Suzuki, “Interfacial ferromagnetism and exchange bias in CaRuO3/CaMnO3 superlattices”,Phys. Rev. Lett.109, 197202 (2012).

  25.        H. Zhang, J.-H. Choi, Y. Xu, X. Wang, X. Zhai, B. Wang, C. Zeng, J.-H. Cho, Z. Zhang, and J. G. Hou, “Atomic structure, energetics, and dynamics of topological solitons in Indium chains on Si(111) surfaces”, Phys. Rev. Lett. 106, 026801 (2011).

  26.        Z. Li, P. Wu, C. Wang, X. Fan, W. Zhang, X. Zhai, C. Zeng, Z. Li, J. Yang, and J. G. Hou, “Low-temperature growth of graphene by chemical vapor deposition using solid and liquid carbon sources”, ACS Nano 5, 3385 (2011)

  27.        A. Shah, Q. Ramasse, X. Zhai, J. G. Wen, S. J. May, I.Petrov, A. Bhattacharya, P. Abbamonte, J. N. Eckstein, J.-M. Zuo, “Probing interfacial electronic structures in atomic layer LaMnO3 and SrTiO3 superlattices”, Adv. Mater.22, 1156 (2010).

  28.        S. J. May, P. J. Ryan, J. L. Robertson, J.-W. Kim, T. S. Santos, E. Karapetrova, J. L. Zarestky, X. Zhai, S. G. E. te Velthuis, J. N. Eckstein, S. D. Bader, A. Bhattacharya, “Enhanced ordering temperatures in antiferromagnetic manganite superlattices”, Nat. Mater. 8, 892 (2009).

  29.        A. Bhattacharya, S. May, S. Velthuis, M. Warusawithana, X. Zhai, B. Jiang, J. M. Zuo, M. Fitzimmons, S. D. Bader, and J. N. Eckstein, “Metal-insulator transition and its relation to magnetic structure in (LaMnO3)2n/(SrMnO3)n superlattices”, Phys. Rev. Lett. 100, 257203 (2008).

  30.           H. B. Zhao, K. J. Smith, Y. Fan, G. Lupke, A. Bhattacharya, S. D. Bader, M.Warusawithana, X. Zhai, J. N. Eckstein, “Viscous spin exchange torque on precessional magnetization in (LaMnO3)2n/(SrMnO3)n superlattices”, Phys. Rev. Lett. 100, 117208 (2008).

  31.           S. Smadici, P. Abbamonte, A. Bhattacharya, X. Zhai, B. Jiang, A. Rusydi, J. N. Eckstein, S. D. Bader, and J. M. Zuo, “Electronic reconstruction at SrMnO3-LaMnO3 superlattice interfaces”, Phys. Rev. Lett. 99, 196404 (2007).



本组成员 

Group Members


 



成龙,助理研究员

2006-2010 中国科学技术大学,近代物理系,本科

2010-2016 中国科学技术大学,微尺度物质科学国家实验室,博士

2017-2020 加拿大滑铁卢大学,量子计算中心/电子与计算机工程系,博士后

2020-至今十大外围投注平台,外围投注,助理研究员

Email: chenglong1@@shanghaitech.edu.cn


梁根豪,2017级博士生,主要研究实时检测薄膜制备技术

Email: lgh2010@@mail.ustc.edu.cn


陆勤雯,2018级博士生,主要研究柔性薄膜和器件

Email: luqinwen@@mail.ustc.edu.cn


查君坤,2018级博士生,主要研究分子束外延薄膜和柔性薄膜

Email: junkunz@@mail.ustc.edu.cn


张静娴,2019级博士生, 主要研究超薄原子层磁性薄膜和器件

Email: zjx3039@@mail.ustc.edu.cn


刘佳,2019级硕士生

Email: liujia3@@shanghaitech.edu.cn


保明睿,2019级硕士生

Email: baomr@@shanghaitech.edu.cn


王晴,2020级硕士生

Email: wangqing2@@shanghaitech.edu.cn



叶飞,2020级硕士生

Email: yefei@@shanghaitech.edu.cn


章子恒,2019级本科生

Email: zhangzh4@@shanghaitech.edu.cn



毕业成员

Alumni



刘其鑫(2017级硕士生),现就职于小米科技有限责任公司

曹慧(2014级硕博连读生),现为美国阿贡国家实验室博士后


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