[論文レビュー] Novel electronic behavior driving NdNiO3 metal-insulator transition

M. H. Upton, Yongseong Choi+6 more|arXiv (Cornell University)|Dec 1, 2014

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本研究は、引張応力がかかるNdNiO3における金属-絶縁体転移（MIT）が、電荷不均一化や対称性の変化ではなく、電子密度の再分配によって駆動されることを明らかにした。共鳴非弾性X線散乱（RIXS）およびX線吸収スペクトロスコピー（XAS）により、Ni 3d軌道からNd 5d軌道への電子移動が示され、Ni 3d電子の局在化とO 2p状態との混合によって絶縁ギャップが形成されることを示した。

ABSTRACT

We present evidence that the metal-insulator transition (MIT) in a tensile strained NdNiO3 (NNO) film is facilitated by a redistribution of electronic density and neither requires Ni charge disproportionation nor symmetry change [1, 2]. Given epitaxial tensile strain in thin NNO films induces preferential occupancy of the $e_g$ $d_{x^2-y^2}$ orbital ($s_{3z^2-r^2}$) we propose the larger transfer integral of this orbital state with the O 2p mediates a redistribution of electronic density from the Ni atom. A decrease in Ni $d_{x^2-y^2}$ orbital occupation is directly observed by resonant inelastic x-ray scattering below the MIT temperature. Furthermore, an increase in Nd charge occupancy is measured by x-ray absorption at the Nd L3 edge. Both spin-orbit coupling and crystal field effects combine to break the degeneracy of the Nd 5d states shifting the energy of the Nd $e_g$ $d_{x^2-y^2}$ orbital towards the Fermi level allowing the A site to become an active acceptor during the MI transition. This work identifies the relocation of electrons from the Ni 3d to the Nd 5d orbitals across the MIT. We propose the insulating gap opens between the Ni 3d and O 2p resulting from Ni 3d electron localization mediated by charge loss. The transition seems neither purely Mott-Hubbard nor simple charge transfer.

研究の動機と目的

• エピタキシャル引張応力がかかるNdNiO3薄膜における金属-絶縁体転移（MIT）を駆動する電子的メカニズムを理解すること。
• MITが電荷不均一化、対称性の破れ、または他の電子的再配置によって駆動されているかどうかを特定すること。
• MITに伴うNiとNdカチオン間の軌道占有数と電荷移動の役割を調査すること。
• スピン-軌道結合と結晶場効果が、Nd 5d軌道がMITに寄与するのを可能にするメカニズムを明確にすること。
• 絶縁ギャップ形成のメカニズム—モット・ハッブル、電荷移動、またはハイブリッド機構—の本質を特定すること。

提案手法

• 基板上にエピタキシャル引張応力がかかるNdNiO3薄膜を成長させ、格子ひずみを誘導した。
• 共鳴非弾性X線散乱（RIXS）を用いて、MITに伴うNi 3d軌道占有数の変化を調べた。
• Nd L3端でX線吸収スペクトロスコピー（XAS）を測定し、Ndの電荷占有数の変化を測定した。
• 理論的分析により、スピン-軌道結合と結晶場分裂がNd 5d状態の degeneracy を取り除く役割を検討した。
• Ni 3d、O 2p、Nd 5d状態間の軌道混合を評価し、電子再分配を説明した。
• 温度依存的なMITの分析により、電子的変化と絶縁ギャップ形成の相関を調べた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 応力のかかるNdNiO3におけるMITは、Niの電荷不均一化または対称性の破れを伴うか？
• RQ2 軌道占有数の再分配がMITを駆動する役割は何か？
• RQ3 スピン-軌道結合と結晶場効果が、Nd 5d状態がMITに寄与するのを可能にするメカニズムは何か？
• RQ4 絶縁ギャップは、モット・ハッブルか電荷移動機構によって形成されるか？
• RQ5 MIT中にNiとNdカチオン間で電子移動がどのように起こるか？

主な発見

• 共鳴非弾性X線散乱を用いて、MIT転移温度以下でNi $d_{x^2-y^2}$ 軌道占有数の減少が直接観測された。
• Nd L3端での測定でNdの電荷占有数の増加が観測され、NiからNdへの電子移動が示された。
• スピン-軌道結合と結晶場効果により、Nd 5d $e_g$ 軌道がフェルミエネルギー準位にシフトし、受容体としての役割を果たすようになった。
• Ni 3d電子の電荷損失に続く局在化とO 2pバンドとの混合によって、Ni 3dとO 2pバンド間の絶縁ギャップが形成された。
• MITは、純粋なモット・ハッブルでも単純な電荷移動でもなく、Nd 5dの参加を含む新しい電子再分配によって駆動されている。
• 歪み状態における遷移積分の増加により、Ni $d_{x^2-y^2}$ とO 2p軌道間のハイブリダイゼーションが強化され、転移が媒介されている。