美国橡树岭国家实验室Science Advances：LaCoO3薄膜中的纳米铁弹性孪晶

【引言】

具有菱形晶格结构的复杂钙钛矿氧化物是铁弹性材料的一类，通过体对角线拉伸导致的结构变形可驱动铁弹性响应。为了使总弹性能最小化，铁弹性氧化物通常以与畴壁相关的界面能为代价形成孪晶畴。由于相邻区域之间的应变相容性条件，穿过单晶的铁弹性畴壁总是有规律地排列，形成准一维(1D)畴结构。这种独特的周期性铁弹性畴仅在体材料中观察到。

LaCoO₃(LCO)是一种铁弹性钙钛矿氧化物。与体LCO不同，外延应变LCO薄膜在低温下表现出铁磁性。在薄膜中，铁弹性畴的取向受到基底形态的强烈影响。对于邻近基底，斜切角（ɑ和β）是决定平面内畴结构的两个基本参数。通过控制将ɑ接近于零，则铁弹性薄膜沿优选方向生长[(100)或(010)]。因此，可以实现单向结构孪晶排列。

【成果简介】

近日，美国橡树岭国家实验室Michael R. Fitzsimmons与Ho Nyung Lee(共同通讯作者)在Science Advances上发表了题为“Nanoscale ferroelastic twins formed in strained LaCoO₃films”的文章，第一作者为Er-Jia Guo。研究人员选择具有双重旋转对称性的基板来实现单向结构调制，展示了铁弹性薄膜中1D和棋盘状孪晶畴的稳定性，证明了表面误切方向的微小变化或晶体对称性的选择在铁弹性孪晶畴的形成中起着至关重要的作用。

【图文导读】

图一 LCO薄膜中的1D孪晶畴
(a) 一维周期性孪晶畴示意图

(b) 条纹状铁弹性孪晶畴的俯视图

(c) 基底<103>倒易点阵

(d) <002>衍射摆动曲线

图二 单向结构扭曲调制轨道偏振
(a) XAS和XLD测量的散射几何示意图

(b) XAS

(c) XLD

图三 面内磁各向异性
(a) M(H)磁滞回线

(b) M(T)曲线

(c) 面内磁化调制

(d) 能级图

图四 正交基板引起的的面内磁各向异性
(a) 正交(110)NGO晶格结构俯视图

(b) Co L边缘的XMCD光谱

(c) nSLD

(d) LCO薄膜的磁矩深度剖面

【小结】

基板形态和晶体学对称性在LCO外延薄膜中影响形成铁弹性孪晶畴。 通过表面改性的立方基底或正交基底可实现对磁各向异性的精细控制。由于诱导的双重旋转对称性，以畴壁能量为代价使弹性应变能最小化之间的竞争会导致形成1D孪晶畴。

文献链接：Nanoscale ferroelastic twins formed in strained LaCoO₃films(Science Advances, 2019, DOI: 10.1126/sciadv.aav5050)

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