厦门大学宽禁带半导体研究组结合同步辐射X射线吸收谱和基于组态相互作用的理论计算方法，系统研究不同价态和配位环境下Co基过渡金属氧化物的吸收谱图，为理解Co基氧化物晶体场分裂能、基态性能提供理论指导，进一步阐明软X射线线二色性的来源，相关成果以“Determination of the crystal field and nature of x-ray linear dichroism for Co-O with local octahedral, tetrahedral, and tetragonal symmetries”为题发表在Physical Review B上（Phys. Rev. B 104, 075109, 2021）。

3d过渡金属氧化物薄膜及其界面表现出内涵丰富的物理性能和新奇电子态结构使其在探索新型功能氧化物器件和凝聚态物理基础研究中扮演着关键的角色，同时，同步辐射大科学装置对研究强关联电子性能也起着关键的作用。然而，对同步辐射测量的X射线谱图，尤其是过渡金属L23-边谱图的理解及物理性能的提取仍然存在挑战；这主要是因为3d过渡金属氧化物体系L23-边谱图中，芯态和价态电子波函数的强烈重叠，多重组态相互作用效应尤为重要，导致基于单粒子模型的跃迁计算失效。为此，厦门大学宽禁带半导体研究组吴猛助理教授、王惠琼教授和康俊勇教授的研究团队采用基于多体理论的组态相互作用计算模型(configuration interaction(CI) cluster calculations)，充分考虑到所有的多重组态相互作用，为理解同步辐射X射线谱图提供很好的定量描述。

图1: （a）过渡金属氧化物强关联相互作用及衍生的物理现象简易图；（b）本工作使用的同步辐射XAS及（c）不同晶体场下Co-O clusters的组态相互作用计算。

该工作中，研究团队与厦门大学化学学院张洪良教授课题组、南方科技大学物理系陈朗教授课题组合作，利用脉冲激光沉积技术生长不同价态（Co2+, Co3+, Co4+）、不同配位环境（正八面体和正四面体）的Co基氧化物薄膜，分别在澳大利亚软X射线线站和北京同步辐射光源4B9B光电子能谱线站测量Co L23-边同步辐射软X射线吸收谱图。研究结果得到的不同体系的特征能量参数（d-d Coulomb interaction Udd, charge transfer energy Δ, hopping integral pdσ, etc.），反映不同价态的Co氧化物体系的带隙（d-d type或者d-p type）及金属性的本质。通过特定Co基氧化物Co L23-边吸收谱图及文章中计算的CI谱图的定量比较，可以直接得到其晶体场强度，这与光学测量的吸收谱图直接对应，结合不同Co电子结构的正四面体配位环境下吸收谱图的计算，有利于阐明Co基spinel结构中的带隙争议以及基态电子结构争议的问题（如图2）。例如，在作者前期的工作中，通过理论与实验结合的手段，阐明尖晶石结构的 ZnCo2O4和Co3O4薄膜体系的基态电子结构和带隙争议问题（Huang et al., PRB 100, 115301, 2009）。此外，针对反铁磁氧化物薄膜体系，实验测量的软x射线线二色的本质一直存在争议，这是因为四方晶体场分裂能和磁交换能都能产生类似的线二色。本工作的研究结果显示，通过开展不同偏振和不同温度下吸收谱的测量，可以区分出线二色的来源，如图3所示（以Co 3d7为例）。

图2: 正八面体对称性下CI计算吸收谱图随晶体场分裂能变化的谱图，（a-c）分别对应Co2+, Co3+ 和Co4+电子结构；图（d-f）分别显示对应的谱图峰分裂能随晶体场变化的关系图。

图3: 以Co2+ （3d7）为例，（a）：不同温度和磁交换能下谱图的变化；（b）：不同温度和四方晶体场作用下谱图的变化；（c-e）：特定磁交换能下，吸收谱图随温度和偏振光极性的变化；（f-g）：特定四方晶体场下，吸收谱图随温度和偏振光极性的变化。

相关研究成果以“Determination of the crystal field and nature of x-ray linear dichroism for Co-O with local octahedral, tetrahedral, and tetragonal symmetries”为题发表在最近一期的Physical Review B上（Phys. Rev. B 104, 075109, 2021）。论文第一作者为厦门大学物理学系吴猛助理教授，通讯作者为厦门大学物理系吴猛助理教授和王惠琼教授。

论文链接：

https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevB.104.075109