3d/5d过渡金属氧化物异质界面新奇电子态的理论研究

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基本信息

项目摘要

Transition metal oxides (TMOs) heterostructures and interfaces exhibit novel charge, spin, orbital, and lattice phases which do not exist in their bulk counterparts, and become a candidate of the next generation electronic devices with multi-functionality and low energy cost. Most of the research activities in this field have so far been focused either on the 3d/3d TMO-interfaces whose properties are dominated by the strong electron correlations, or on the low-dimensional 5d materials where the large spin-orbit coupling is playing a vital role. The 3d/5d interfaces, on the other hand, are less studied as they are largely regarded as simple structural extensions of these two systems. We have recently identified two unique properties at such interfaces, namely the 1) large charge-transfer effect, and 2) exotic interfacial electronic coupling. This proposed project will focus on how to employ these two effects to realize targeted design of novel properties that the community eagerly awaits, such as unconventional superconductivity that can be possibly realized by carrier doping in Sr2IrO4. Combining both model analysis and material calculations, we will study the microscopic mechanisms that can give rise to novel electronic phases and properties at the 3d/5d interfaces, and how different material combinations, lattice symmetries/orientations, dimensionality, epitaxial strains, and external fields can be utilized to achieve rational control of such properties. The ultimate goal of the project is to establish a unified theoretical framework for studying and exploring the novel electronic phases at the 3d/5d interfaces, which can serve as a guidance for future work in this field.
过渡金属氧化物异质界面呈现出本体中不存在的电荷、自旋、轨道、晶格及拓扑等新奇量子态,有望成为下一代多功能、低能耗电子器件的基础。目前绝大部分相关研究聚焦于具有强电子-电子相互作用的3d/3d氧化物异质界面,或者具有强自旋-轨道相互作用的低维5d电子体系;而3d/5d界面往往被当成材料上的简单拓展而被忽视。我们发现3d/5d过渡金属氧化物异质界面具有如下两种独有的特性:1)界面巨大电荷转移,2)界面奇异电子耦合。本项目将率先研究如何利用这两种特性来实现氧化物界面领域急切期待的一些新奇电子态,如界面电荷掺杂Sr2IrO4实现非常规超导态等。结合理论模型分析与材料计算来探索这些特性诱导新奇电子态的微观机理,通过材料组合、晶格、晶向、薄膜厚度、应力及外场等界面技术进行调控。最终目标是建立3d/5d氧化物界面新奇电子态的理论框架,引领这个研究方向。

结项摘要

过渡金属氧化物异质界面呈现出本体中不存在的电荷、自旋、轨道、晶格及拓扑等新奇量子态,有望成为下一代多功能、低能耗电子器件的基础。目前绝大部分相关研究聚焦于具有强电子-电子相互作用的3d/3d氧化物异质界面,或者具有强自旋-轨道相互作用的低维5d电子体系;而3d/5d界面往往被当成材料上的简单拓展而被忽视。我们发现3d/5d过渡金属氧化物异质界面具有如下两种独有的特性:1)界面巨大电荷转移,2)界面奇异电子耦合。本项目中我们研究了如何利用这两种特性来实现氧化物界面领域急切期待的一些新奇电子态。我们设计了具有中心反演对称性破缺的非对称氧化物异质界面,从而实现了并对其Rashba自旋轨道耦合作用的有效调控。我们构建了非极性的SrTiO3/SrRuO3异质界面,在界面上通过引入氧空位打破晶体结构的中心反演对称性,从而诱导出极化,且极化强度可达33.3μC/cm2,大于BaTiO3的25.5μC/cm2。我们提出一种带电荷氧空位稳定HfO2铁电相,从而产生铁电性的新机制。我们还通过第一性原理计算,证明了氧空位的电荷态能够剧烈影响HfO2结构相的热力学稳定性,因此通过改变氧空位电荷态能够稳定铁电相。此外,我们系统研究了镍基超导氧化物RNiO2的电子结构研究,并对镍基氧化物超导材料结构进行了理论预测。我们的研究有助于建立氧化物界面新奇电子态的理论框架,引领这个研究方向。

项目成果

期刊论文数量(17)
专著数量(0)
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Electric Field Control of the Magnetic Weyl Fermion in an Epitaxial SrRuO3 (111) Thin Film
外延 SrRuO3 (111) 薄膜中磁外尔费米子的电场控制
  • DOI:
    10.1002/adma.202101316
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    Advanced Materials
  • 影响因子:
    29.4
  • 作者:
    Lin Weinan;Liu Liang;Liu Qing;Li Lei;Shu Xinyu;Li Changjian;Xie Qidong;Jiang Peiheng;Zheng Xuan;Guo Rui;Lim Zhishiuh;Zeng Shengwei;Zhou Guowei;Wang Han;Zhou Jing;Yang Ping;Ari;o;Pennycook Stephen J.;Xu Xiaohong;Zhong Zhicheng;Wang Zhiming;Chen Jingsheng
  • 通讯作者:
    Chen Jingsheng
Pitfalls and solutions for perovskite transparent conductors
钙钛矿透明导体的缺陷及解决方案
  • DOI:
    10.1103/physrevb.104.l041112
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    Physical Review B
  • 影响因子:
    3.7
  • 作者:
    Liang Si;Josef Kaufmann;Zhicheng Zhong;Jan M. Tomczak;Karsten Held
  • 通讯作者:
    Karsten Held
Ferroelectric structural transition in hafnium oxide induced by charged oxygen vacancies
带电氧空位诱导氧化铪的铁电结构转变
  • DOI:
    10.1103/physrevb.104.l180102
  • 发表时间:
    2021-11
  • 期刊:
    Physical Review B
  • 影响因子:
    3.7
  • 作者:
    He Ri;Wu Hongyu;Liu Shi;Liu Houfang;Zhong Zhicheng
  • 通讯作者:
    Zhong Zhicheng
Nickelate superconductors-a renaissance of the one-band Hubbard model
镍超导体——单带哈伯德模型的复兴
  • DOI:
    10.1038/s41535-020-00260-y
  • 发表时间:
    2020-08-21
  • 期刊:
    NPJ QUANTUM MATERIALS
  • 影响因子:
    5.7
  • 作者:
    Kitatani, Motoharu;Si, Liang;Held, Karsten
  • 通讯作者:
    Held, Karsten
Atomic-Scale Metal-Insulator Transition in SrRuO3 Ultrathin Films Triggered by Surface Termination Conversion
SrRuO3 超薄膜中的原子尺度金属-绝缘体转变由表面终止转换触发
  • DOI:
    10.1002/adma.201905815
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    ADVANCED MATERIALS
  • 影响因子:
    29.4
  • 作者:
    Lee Han Gyeol;Wang Lingfei;Si Liang;He Xiaoyue;Porter Daniel G.;Kim Jeong Rae;Ko Eun Kyo;Kim Jinkwon;Park Sung Min;Kim Bongju;Wee Andrew Thye Shen;Bombardi Aless;ro;Zhong Zhicheng;Noh Tae Won
  • 通讯作者:
    Noh Tae Won

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

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          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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