[論文レビュー] Metal-insulator transition in ultrathin LaNiO3 films

R. Scherwitzl, Stefano Gariglio+4 more|UCL Discovery (University College London)|Jan 26, 2011

Magnetic and transport properties of perovskites and related materialsMaterials Science被引用数 16

ひとこと要約

本研究は、SrTiO3基板上に成長した超薄膜LaNiO3 (LNO) における金属-絶縁体 (MI) 遷移を調査し、厚さが減少するに従い金属的から強く局在化した挙動へと遷移することを明らかにした。中間領域では弱局在化効果が支配的である。主な発見は、スピンガラス状態または電荷秩序化反強磁性状態に近接するが、長距離秩序が存在しない状況下でも、等方的で負の磁気抵抗が観測されたことである。

ABSTRACT

Transport in ultrathin films of LaNiO3 evolves from a metallic to a strongly localized character as the film's thickness is reduced and the sheet resistance reaches a value close to h/e2, the quantum of resistance in two dimensions. In the intermediate regime, quantum corrections to the Drude low- temperature conductivity are observed; they are accurately described by weak localization theory. Remarkably, the negative magnetoresistance in this regime is isotropic, which points to magnetic scattering associated with the proximity of the system to either a spin glass state or the charge ordered antiferromagnetic state observed in other rare earth nickelates.

研究の動機と目的

• 8ユニットセル未満の厚さに減少する超薄膜LaNiO3における輸送特性の変化を理解すること。
• 2次元LaNiO3薄膜における金属-絶縁体遷移の起源を特定すること。
• 弱局在化領域における量子補正および磁気抵抗の異方性の性質を調査すること。
• 局在化遷移付近の輸送において、電子-電子相関効果と磁気散乱のどちらが支配的であるかを特定すること。

提案手法

• エピタキシャルLaNiO3薄膜は、全歪みとc軸配向を達成するために、オフアーススパッタリング法を用いて(001)方向のSrTiO3基板上に成長させた。
• 抵抗率および磁気抵抗を測定するために、ヘリウムフラッシュ冷凍器と超伝導磁石を用いて、1.5 Kから300 Kの温度範囲で輸送測定を実施した。
• シート抵抗および温度依存抵抗率を測定し、金属的、弱局在化、絶縁的領域を特定した。
• 低温における電導度補正を弱局在化理論でフィッティングし、$ k_F l = h/e^2 / R_{\text{sheet}} $ の関係を用いた。ここで $ R_{\text{sheet}} \approx 25\,\text{k}\Omega $ は量子抵抗として用いられた。
• 磁気抵抗を面内および面外磁場方向に対して測定し、異方性を評価した。
• 等方的磁気抵抗を解釈するために、マエカワ＝フクヤマ理論を用い、スピンフラクチュエーションとエネルギー緩和時間 $ \tau_\varepsilon $ および $ \tau_s $ を介した磁気散乱を導入した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2次元量子抵抗スケールに近い状況において、超薄膜LaNiO3薄膜の輸送挙動はどのように厚さの減少に伴い変化するか？
• RQ2 面内磁場で軌道的寄与が抑制されるにもかかわらず、弱局在化領域で観測された等方的負の磁気抵抗の原因は何か？
• RQ3 スピンフラクチュエーションや不純物由来の磁気モーメントといった磁気散乱機構が、輸送異常をどの程度説明できるか？
• RQ4 金属-絶縁体遷移は、次元性の変化、不純物、または電子相関効果のいずれによって駆動されているのか？
• RQ5 酸素空孔およびNi2+イオンが、スピンガラス状態や電荷秩序化状態への近接性、および磁気散乱を引き起こす役割を果たすか？

主な発見

• LaNiO3薄膜における金属-絶縁体遷移は、8ユニットセル未満の厚さに減少するに従い発生し、5ユニットセルの薄膜では $ h/e^2 \approx 25\,\text{k}\Omega $ に近いシート抵抗を示し、強力な局在化を示している。
• 中間領域（7ユニットセル薄膜）では低温で抵抗率の上昇が観測され、弱局在化理論により定量的に説明可能であり、$ \rho = \rho_0 + A T^2 $ と表され、$ A = 7.7 \times 10^{-3}\, \mu\Omega\text{cmK}^{-2} $ である。
• 1.5 Kにおける面内および面外磁場に対して等方的磁気抵抗が観測され、0.01%以内の角度依存性が認められず、磁気散乱が支配的であることが示された。
• 等方的磁気抵抗は、マエカワ＝フクヤマ理論により説明可能であり、$ \tau_s > \tau_\varepsilon $ かつ $ \tau_\varepsilon / \tau_s > \beta D^2 e^2 / \mu_B^2 $ の条件下でスピンフラクチュエーションによる磁気散乱を考慮した。ここで $ \beta \approx 0.06 $ である。
• 磁気散乱は、酸素空孔によって生成されるNi2+イオン、またはRNiO3族における電荷秩序化反強磁性状態への近接性に起因するとされた。
• 弱局在化領域では明確な強い電子-電子相互作用の兆候は観測されなかったが、最も強く局在化した薄膜ではこのような効果が支配的である可能性がある。