項目名稱：半金屬氧化物及其異質結構的自旋輸運和調控

提名單位：江蘇省教育廳

項目簡介：

該項目屬于自旋電子學領域。自旋電子學是跨基礎科學、工程設計和産業生産的龐大領域，同時具有重大科學價值和商業應用價值，加大對新型自旋器件的研究力度，走自主創新的道路，推進研究成果産業化，将有助于我國在未來信息産業的新一輪競争中取得主動和優勢。該項目聚焦高自旋極化材料的探索與新型自旋器件基礎問題，針對限制器件應用的高磁場、低溫、低效、自旋相關效應幅值低等瓶頸，開展基礎性和前瞻性的理論研究。該項目的第一完成單位是國内開展半金屬材料研究的早期單位之一，該項目圍繞“半金屬氧化物及其異質結構的自旋輸運和調控”這一關鍵科學問題持續研究十餘年，始終與國際自旋電子學領域的發展同步，取得了一系列重要創新性成果，為半金屬氧化物材料研究提供科學依據，為器件設計奠定理論基礎，具有重要的科學價值。主要科學發現如下：

1.半金屬氧化物自旋輸運網絡模型和微觀機制的建立和調控。針對各種半金屬氧化物的非均勻和顆粒複合體系，提出依據體系不同的微結構和可能的輸運微觀機制，創新地建立相應網絡模型，研究體系的電磁輸運特性；認識不同體系的電磁輸運微觀機制有别,創新性地将無序電阻網絡、關聯電阻網絡和小世界電阻網絡等理論模型應用于半金屬氧化物顆粒複合體系自旋輸運的研究；提出利用逾滲機制調控介觀輸運網絡結構,增強磁電阻效應,為如何設計可控性高且幅值大的磁電阻體系提供重要科學依據。

2.提出半金屬新型異質層狀界面結構，論證可以實現零質量、無耗散、100%自旋極化輸運。(a)提出半金屬氧化物CrO₂/TiO₂超薄膜和超晶格異質結構，發現100%自旋極化Dirac型能帶結構，提出CrO₂/TiO₂超薄膜結構是具有較大拓撲能隙（43 K）的陳絕緣體，将實現量子反常霍爾效應的材料體系拓展至工業常用材料（CrO₂），提供實現高能效電子學和自旋電子學存儲器件的新材料和新結構。(b)提出LaAlO₃/SrMnO₃超晶格結構，揭示異質磁性界面上的電子結構重構機制，發現界面100%高自旋極化二維電子氣，提出解決在納米級自旋電子學器件中如何産生高自旋極化載流子難題的新策略。(c)提出LaAlO₃/EuTiO₃超晶格結構，發現100%高自旋極化的二維空穴氣，填補異質結構中p型自旋極化界面缺乏的空白，預測低溫下自旋極化電子-空穴對自旋三重态的激子凝聚現象，揭示無耗散自旋輸運的納米器件設計新途徑。

3.确認高壓下半金屬氧化物的磁性質和微結構變化，為在極端條件下半金屬氧化物的應用奠定科學基礎，拓寬其應用範圍。為保證高壓等極端條件下自旋電子學器件的有效應用，提出研究半金屬氧化物Fe₃O₄高壓下的磁性質，發現其在高壓驅動下的多個晶格結構轉變，從根本上解決高壓相晶格結構實驗上不明确的問題，揭示高壓導緻的自旋态轉變，拓展Fe₃O₄作為半金屬氧化物在自旋電子學領域的應用範圍。

5篇代表性論文分别發表在Phys. Rev. B、Nano Lett.、ACS Nano、Phys. Rev. Applied、J. Am. Chem. Soc.等本領域重要期刊。4篇博士論文獲得江蘇省優秀博士學位論文。

主要完成單位：蘇州大學；beat365；浙江師範大學

主要完成人情況

代表性論文（專著）目錄