复杂氧化物材料，特别是由它们形成的异质结构，是涌现现象和技术应用的丰富来源（1-3）。将氧化物钙钛矿与具有不同晶体化学性质和功能的材料进行界面结合（4），可能会极大地扩展界面现象和应用的范围。然而，当构成材料是非同构的，具有较大的几何和化学应变时（5，6），用所需的化学和结构质量来稳定这种异质结构以促进所需功能具有挑战性。我们提出了一种基于氮化物反钙钛矿和氧化物钙钛矿材料的独特异质界面类别，作为材料设计的新方向。
反钙钛矿材料是具有钙钛矿晶体结构（空间群）的金属间化合物。
（编号221），但在晶胞（7）中阴离子和阳离子的位置互换了。与氧化物钙钛矿类似，反钙钛矿材料也展现出多种可调的物理性质，包括超导性、巡游反铁磁性、巨磁电阻、大磁体积效应和拓扑电子行为（8-15）。在反钙钛矿材料中，过渡金属（TM）基氮化物化合物（M3XN；M：TM；X：金属或半导体元素）尤其引人关注，因为它们的物理行为对外部扰动（如磁场、温度或压力）极为敏感（14-20）。这主要是由于M3XN化合物具有强烈的自旋-晶格耦合特性。在这种相关的物理背景下，外延M3XN异质结构的发展为通过适当选择材料和设计来调节M3XN的性质提供了理想的平台。在这种情况下，ABO3氧化物钙钛矿是与M3XN氮化物反钙钛矿界面接触的无与伦比的材料系统，因为这两种化合物具有类似的钙钛矿型晶体结构和可比的晶格常数，从而在任何常见的晶体学方向上都能实现良好的外延匹配，这应能促进外延生长。这使得我们能够利用应变工程来调节M3XN材料的行为。此外，ABO3化合物的各种物理性质可以用作外部触发器来调节反钙钛矿材料的功能，从而开发出多功能的人造材料和器件，例如最近提出的Mn3GaN与氧化物铁电和压电钙钛矿之间的异质结构（16-19）。
为了挖掘这一潜力，首先需要从原子层面理解氮化物反钙钛矿和氧化物钙钛矿材料之间的界面结构和化学性质，以促进形成允许外延生长的桥接结构。从晶体学的角度来看，这两种反结构之间界面的原子配置并不明显。如图1A所示，M3XN反钙钛矿和ABO3钙钛矿化合物在晶胞中显示出相反的阴离子和阳离子位置。这种显著差异导致对M3XN和ABO3材料之间界面的考虑与对两种钙钛矿或两种反钙钛矿材料之间界面的考虑不同（图1B）。ABO3钙钛矿结构可以描述为沿晶胞的[001]钙钛矿（[001]P）方向交替混合的阳离子-阴离子AO和BO2层，对于两种不同的ABO3和A′B′O3化合物之间形成的界面，只有两种平凡的界面配置在物理上是稳定的：A′O/BO2和B′O2/AO（图1C）。同理，氮化物M3XN反钙钛矿可以看作是沿[001]P方向交替堆叠的MX和M2N层。如图1D所示，根据ABO3钙钛矿的终止情况，M3XN反钙钛矿和ABO3钙钛矿材料之间假设的最简单可能界面配置数量翻倍至四个：M2N/BO2、MX/BO2、M2N/AO和MX/AO。然而，一个基本的后续考虑是氮化物反钙钛矿和氧化物钙钛矿材料之间界面的化学键合。与主要具有离子键合的氧化物钙钛矿相反，氮化物反钙钛矿通常表现出金属/共价化学键合。在这种情况下，开发一种策略来正确地将氮化物反钙钛矿与氧化物钙钛矿材料界面连接，可以促进界面杂交相互作用的出现，从而产生在更传统的氧化物/氧化物界面中无法实现的界面特性和功能，为寻找与界面现象相关的紧急行为开辟了新途径（4）。受对氮化物反钙钛矿/氧化物钙钛矿界面基本理解追求的启发，我们在(001)取向的(La0.3Sr0.7)(Al0.65Ta0.35)O3（LSAT）和SrTiO3单晶基底上制备了高质量的外延Mn3GaN薄膜，作为M3XN/ABO3界面的范例。我们结合使用原子分辨率扫描透射电子显微镜（STEM）、电子能量损失谱（EELS）、能量色散X射线光谱（EDS）技术以及密度泛函理论研究，在原子尺度上研究了Mn3GaN/LSAT和Mn3GaN/SrTiO3的界面结构。我们使用第一性原理计算研究了观察到的界面的稳定性和成核机制。为简单起见，本文重点关注Mn3GaN/LSAT界面。补充材料中提供了包括Mn3GaN/SrTiO3界面和材料与方法相关的实验数据在内的额外信息。总结了生长在(001) LSAT基底上的60 nm厚Mn3GaN薄膜的X射线衍射（XRD）结构表征。使用原位反射高能电子衍射（RHEED）监测薄膜的外延生长和单相结构，并通过仅观察(00l)反射的对称θ-2θ XRD测量进行确认（图2A）。图2B显示了围绕(002) LSAT基底峰的代表性θ-2θ XRD扫描。Mn3GaN（002）反射周围的Kiessig条纹表明薄膜具有高晶体质量和原始界面，这一点得到了Mn3GaN（002）摇摆曲线窄的0.035°半峰全宽（FWHM）值的证实（图2C）。薄膜厚度减小可提高结晶度，使薄膜的FWHM值低至0.023°。通过围绕(022)反射的离轴方位角ϕ扫描（图2D），确认了Mn3GaN与基底之间存在面内立方对立方外延关系。通过以不对称的(−113) LSAT峰为中心的X射线倒易空间映射（RSM）测量（图2E），确定了面外（a⊥）和平面内（a||）晶格常数，分别为a⊥ = 3.90 ± 0.01 Å和a|| = 3.92 ± 0.01 Å，接近体晶格常数a = 3.898 Å（21）。
Science Advances ( IF 11.7 ) Pub Date : 2020-07-24 , DOI: 10.1126/sciadv.aba4017
Camilo X Quintela 1 , Kyung Song 2 , Ding-Fu Shao 3 , Lin Xie 4 , Tianxiang Nan 1 , Tula R Paudel 3 , Neil Campbell 5 , Xiaoqing Pan 6 , Thomas Tybell 7 , Mark S Rzchowski 5 , Evgeny Y Tsymbal 3 , Si-Young Choi 8 , Chang-Beom Eom 1
