极性诱导缺陷机制导致极性 - 非极性氧化物界面处的导电性与磁性

在绝缘非磁性氧化物（如极性 LaAlO3 与非极性 SrTiO3）界面处发现导电二维电子气（2DEG）和磁性，为获得组分材料所不具备的界面功能带来了前景。然而，此类涌现现象的微观起源尚不清楚，阻碍了改进功能的设计。利用第一性原理缺陷计算，我们揭示了一种统一的极性诱导缺陷机制，该机制同时解释了非磁性绝缘氧化物极性 - 非极性界面处的导电性和磁性。我们证明，界面处的极性不连续性在热力学上触发了特定缺陷的自发形成，而这些缺陷反过来抵消了由极性不连续性引起的极化场。结果表明，2DEG 源于那些自发形成的表面施主缺陷（氧空位），但 2DEG 的密度由界面反位受主缺陷（Al 占据 Ti 位）控制。研究发现，界面磁性源于 LaAlO3 一侧靠近界面处未电离的深能级 Ti 占据 Al 位反位施主缺陷。我们的结果为在极性 - 非极性氧化物界面处诱导和控制 2DEG 及磁性提供了实用的设计指南。