最近中心成员顾书林和叶建东教授与澳大利亚国立大学、新加坡国立大学等单位合作，在新型极性氧化物异质结外延制备及其电子输运特性研究方面取得了重要进展，论文"Spin-polarized Wide Electron SlabsinFunctionally Graded Polar OxideHeterostructures"发表在Scientific Reports 2,533 (2012)上，叶建东教授为第一作者和通讯作者。近年来材料外延技术的迅猛发展使得氧化物界面的原子级突变得以实现，人们在过渡金属氧化物界面的二维电子系统中观察到了自旋极化、超导和金属-绝缘体转变等新奇现象，其界面特性完全有别于传统的半导体异质结这为发展新型电子器件乃至全氧化物电子学提供了可能。然而，在实际的器件应用上，高密度二维电子沟道中的电子-电子相互作用和非平衡极性光学声子-电子相互作用会极大地限制电子在高场中的饱和迁移速率，使得器件的高频性能大打折扣。因此在保持电子高迁移率的同时降低电子系统的密度将有助于提高器件的性能。另外，降低电子气密度也会增强电子的强关联作用，这为观察到新奇多体效应提供了可能。
该课题组在此研究背景下，发展了高质量ZnO材料的金属有机气相外延技术，攻克了大失配衬底上ZnO材料原子级外延的科学难题，同时创新引入了极化诱导的概念，通过精确控制Mg组分制备渐变ZnMgO/ZnO新型异质结构，首次在极性氧化物异质结中实现了高迁移率的三维电子气（图1-2）。
图1 (a)渐变ZnMgO/ZnO结构示意图；(b) (c) 非平衡的正束缚极化电荷均匀分布在ZnMgO渐变层中，从而吸引可动电子形成三维电子带。电子来源于表面施主态。
图2 (a) 高分辨TEM剖面图显示渐变ZnMgO/ZnO完好的单晶晶格；(b) ZnMgO/ZnO/ZnMgO双异质结EDX和EELS曲线图证实Mg组份和带隙是渐变的。
图3 渐变ZnMgO/ZnO异质结能带结构图及载流子深度分布显示载流子分布在渐变的势垒层中，其电子带宽大于电子的费米波长，体现其三维特征。
图3 (a) 不同角度磁电阻随磁场的变化关系显示SdH振荡特征有别于传统的二维电子气。而SdH振荡和整数量子霍尔平台显示该电子气具有高迁移率。(b) 磁电阻与磁场关系的快速傅里叶变换显示自旋向上和自旋向下的自旋分裂的子带。
在传统半导体异质结中，二维电子气通常局域在异质结界面，而通过极化诱导的三维电子气则均匀分布在组分渐变的势垒层中（图3），因此具有与二维电子气系统不一样的新奇特性。首先，虽然该三维电子带的电子浓度被大大"稀释"，但依然保持较高的电子迁移率。他们和合作者首次在ZnMgO/ZnO异质结三维电子气中观察到SdH振荡和整数量子霍尔效应，并发现SdH振荡周期随着垂直磁场分量大小变化而变化，证实了电子系统的三维特性（图4）。其次，磁输运特性研究显示该电子系统具有自旋极化特性（图4），其零场自旋分裂能量高达11.5meV。再次，在低温下观察到了反常霍尔效应，进一步证实了载流子为媒介的铁磁特性。关于其自旋极化和铁磁来源的问题仍在进一步研究中，初步认为可能由以下两个原因造成。第一，"稀释"的电子系统具有更大的Wignar-seitz系数，理论计算显示当该系数大于50时，电子系统将完全自旋极化。第二，非掺杂氧化物表面缺陷如锌空位等也会具有较弱的稀磁特性，会和3DES产生相互耦合作用导致自旋分裂。若通过表面修饰调控自旋极化特性，则可用于研制新型传感器，为进一步拓宽极性氧化物基自旋电子学的发展提供新的途径。本工作得到了国家973项目、国家自然科学基金面上项目和江苏省自然科学基金的支持。