氧化物人工反铁磁体
近年来，反铁磁材料在新型自旋电子学器件中的重要作用逐渐凸显。反铁磁材料在外场下具有高稳定性、杂散场几乎为零、且具备高频磁化翻转能力，因而在超快高密度磁存储器件方面应用潜力巨大。我们研究组利用锰/钌氧化物多层膜构筑了全氧化物人工反铁磁体，首次观察到随外磁场演化，具有清晰层分辨的反铁磁层间耦合现象。我们此后又通过改变钌氧化物层中的化学的掺杂实现了对层间反铁磁耦合强度的有效调控。这一系列的成果开辟了全氧化物人工反铁磁体这一全新领域，为反铁磁自旋电子学器件提供了新的材料体系。
代表作：Science, 357 (2017); Appl. Phys. Lett. 110, 082402 (2017); Physical Review Applied 10, 0240352 (2018); APL Matterials 7, 0311193 (2019); ACS Appl. Mater. Interfaces 13, 20788−20795 (2021)
钛矿氧化物异质结中拓扑磁结构的诱导和调控
磁性斯格明子等具有非平庸拓扑属性的纳米磁结构是近年来微纳磁学领域的研究热点。由于其具有准粒子特征、纳米尺寸、拓扑稳定性等特点，在高密度、低能耗自旋电子学器件中拥有巨大的应用潜力。如何实现对磁性斯格明子的微观调控正是目前这一研究领域走向实用化的关键科学问题。我们及其合作者利用关联氧化物人工异质界面处多个序参量的耦合和竞争为拓扑纳米磁结构的诱导和调控开辟了新的途径。在兼具强关联和自旋轨道耦合效应的氧化物磁性层中利用铁电临近效应、氧空位、界面工程等方法诱导了Dzyaloshinsky-Moriya相互作用和磁性斯格明子态，并实现了对这一拓扑纳米磁结构的局域电场调控。
代表作：Nature Materials 17, 1087 (2018); Nano Letters 20, 2468 (2020); Advanced Materials 34, 206685 (2022)
锰钌氧化物界面电荷转移和铁磁性增强
稀土掺杂锰氧化物具有居里温度高于室温的铁磁性和接近100%的自旋极化率，在自旋电子学器件领域有着巨大的应用潜力。然而这一材料中普遍存在的“死层”效应，即因厚度降低导致的磁性和金属性退化，则成为了限制相关器件发展的瓶颈。针对这一问题，我们发展了通过界面效应稳定和增强锰氧化物薄层中的铁磁序的方法。在4d钌氧化物与锰氧化物外延异质结中，我们通过界面处的电荷转移使得锰氧化物薄膜的铁磁性在膜厚降低至2个单胞时仍可接近甚至超过块体。同时4d钌氧化物中强烈的自旋轨道耦合作用还可以有效调控铁磁薄层的磁各向异性。这些界面效应有助于将磁性锰氧化物薄膜在自旋电子学器件中的应用。
代表作：Nature Materials, 15, 956–960 (2016); Physical Review B 97, 214428 (2018); Advanced Functional Materials 30, 19095367 (2019); ACS Applied Materials & Interfaces, 11, 10399−10408 (2019)
相分离锰氧化物应力调控
强关联锰氧化物中的电子、轨道、自旋和晶格等内秉自由度之间存在着强烈耦合。顺磁绝缘相、铁磁金属相、反铁磁电荷有序绝缘相等能量相近的电子相在同一体系相互共存、竞争，进而使体系表现为丰富的电子相图和复杂的微观相分离行为。这使得锰氧化物的物理性能对结构上的微小变化极其敏感。利用锰氧化物的这一特性，我们根据这一特性，将锰氧化物薄膜外延生长在具有不同晶格常数和取向的衬底上，利用外延应力调控其磁、电性能和相分离行为。例如，我们发现各向异性应力下的锰氧化物薄膜中Jahn-Teller畸变被显著增强，使其表现为铁磁金属相-反铁磁绝缘相相分离行为。这一相分离行为也可以带来多重金属-绝缘相变、各向异性电输运、磁各向异性和各向异性磁阻等新奇量子现象。
代表作：Nature Communications, 6 (2015); Nature Materials, 15, 956–960 (2016); Advanced Materials 30, 1805353 (2018); Physical Review Materials 1, 064406 (2018); Nano Letters 20, 1131−1140 (2020); Nano Lett. 22, 18, 7328–7335 (2022)
铁电薄膜与器件
铁电材料由于其电极化翻转具有非易失性和高响应速度，可用于制备非易失性动态随机存贮器和铁电场效应管等电子器件。而制备高质量的铁电外延薄膜则是这一研究领域的最重要前提。我们在制备高性能铁电薄膜方面有着多年的积累，掌握了BiFeO3、Pd(Zr,Ti)O3、BaTiO3、K0.5Na0.5NbO3等铁电外延薄膜的制备工艺，并通过化学掺杂改性、界面工程、人工诱导自主装纳米结构等方法实现了对铁电薄膜性能的优化和调控。我们也尝试将这些铁电薄膜制备成pn节、隧道结、电容器等设备，并在器件结构设计和性能优化方面做出了一系列有意义的探索。
代表作：Advanced Functional Materials 30, 191056916 (2020); Nano Letters, 16 (2016); ACS Applied Materials & Interfaces 4, 4616, 24 (2020); Applied Physics Letters 96, 262902 (2010); Advanced Functional Materials 32, 2209925 (2022)
钙钛矿透明导电薄膜
透明导电薄膜同时具有较高的可见光透过率和较高的导电性。这一特性使其广泛应用于平板显示器、太阳能电池等光电器件领域。我们通过对BaSnO3、SrSnO3和SrTiO3等钙钛矿结构的氧化物进行A位La元素掺杂，成功制备了多种钙钛矿结构透明导电薄膜。这些薄膜的晶胞参数与其他钙钛矿功能材料较为匹配。鉴于这一优势，我们进一步实现了透明导电薄膜与，如Pd(Zr,Ti)O3、BiFeO3等铁电材料的相互外延生长，成功制备了兼具高可见光透过率和铁电性能的全钙钛矿透明铁电电容器。
代表作：Applied Physics Letters 90, 082904 (2007); Journal Of Applied Physics 103, 093709
(2008); Journal Of Applied Physics 101, 106105 (2007)
代表作：Nature Communications, 6 (2015); Nature Materials, 15, 956–960 (2016); Advanced Materials 30, 1805353 (2018); Physical Review Materials 1, 064406 (2018); Nano Letters 20, 1131−1140 (2020); Nano Lett. 22, 18, 7328–7335 (2022)
代表作：Advanced Functional Materials 30, 191056916 (2020); Nano Letters, 16 (2016); ACS Applied Materials & Interfaces 4, 4616, 24 (2020); Applied Physics Letters 96, 262902 (2010); Advanced Functional Materials 32, 2209925 (2022)
代表作：Applied Physics Letters 90, 082904 (2007); Journal Of Applied Physics 103, 093709 (2008); Journal Of Applied Physics 101, 106105 (2007)