[論文レビュー] Observation of microscopic domain effects in the metal-insulator transition of thin-film NdNiO$_3$

Lucy S. Nathwani, Anne Ruperto+9 more|arXiv (Cornell University)|Mar 22, 2026

Thermal properties of materials被引用数 0

ひとこと要約

要約: 本研究は57.5 nmのNdNiO3薄膜に対して周波数領域熱反射率測定（FDTR）と周波数領域光反射測定（FDPR）を用い、金属絶縁体転移（MIT）を介するドメイン依存の異方性輸送を明らかにし、面内挙動と比較して法線方向のヒステシスが抑制され、二型拡散係数の変化が顕著であることを示す。

ABSTRACT

Perovskite oxides display correlated electrical, magnetic, and thermal properties that can be further tuned in the thin-film limit, making them contenders for next-generation electronics. Measuring thermal transport in thin films is challenging, because traditional techniques are dominated by the substrate. Here, frequency-domain thermoreflectance (FDTR) of an epitaxial NdNiO$_3$ thin film reveals a sharp change in out-of-plane thermal conductivity across the metal-insulator transition. Complementary frequency-domain photoreflectance (FDPR) reveals a large change in ambipolar diffusivity of photoexcited carriers. While the in-plane electrical resistance shows large hysteresis, out-of-plane thermal and charge transport shows negligible hysteresis. We attribute this discrepancy to anisotropy in the percolation of nanoscale domains across the transition as the film thickness approaches the domain length scale. We establish FDTR and FDPR as sensitive probes of quantum material phase transitions and highlight NdNiO$_3$ for thermal control and memory applications.

研究の動機と目的

• 温度駆動型金属絶縁体転移をエレクトロニクスの tunable プラットフォームとして薄膜NdNiO3を用いる動機づけ。
• 結晶成長エピタキシャルNdNiO3薄膜における跨り（面外）熱輸送のMIT across を調査。
• FDPRを用いてMITを横断するキャリア拡散（アリュンポラ diffusivity）を調べ、電子輸送と熱輸送を結びつける。
• ナノスケールのドメイン構造と薄膜厚さが巨視的輸送ヒステシスに与える影響を理解する。

提案手法

• LaAlO3上の57.5 nm NdNiO3膜の法線方向熱伝導率 κ⊥ を測定するために金トランスデューサを用いた周波数領域熱反射率測定（FDTR）を実施。
• MITを横断するアディポロブ（ambipolar）拡散係数 Da を隣接する裸地帯で抽出するため、周波数領域光反射測定（FDPR）を適用。
• Fourier熱伝導モデルを用いてFDTRデータをフィットし κ⊥ と熱境界伝導率 GFS を抽出。基板特性はLaAlO3の独立 FDTR 測定から固定。
• FDPR信号をキャリア＋熱拡散問題としてモデル化し、キャリア振幅 Aρ と再結合時間 τ を固定して Da と GFS を頑健に抽出。
• κ⊥ のフィットを安定させるため NdNiO3 バルクデータ由来の Debye モデルで薄膜比熱を固定。
• FDTR/FDPRフィットから冷却・加熱サイクルを比較しヒステシスを評価し、Tswitch を特定。

Figure 1: (a) Distorted perovskite structure of NdNiO 3 in the insulating phase. (b) The structure in the metallic phase. The changes in octahedral tilts drive the transition 8 . (c) Temperature-dependent resistance capturing the MIT (see SI). $T_{\mathrm{MIT}}$ is 91 K during cooling and 124 K duri

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 薄膜NdNiO3のMIT跨ぎで法線方向の熱伝導率の挙動はどうなるか。
• RQ2 MITを跨ぐアリュンポラ拡散係数はどう変化し、熱輸送とどのように結合するか。
• RQ3 薄膜ジオメトリとドメインサイズが跨いだ平面輸送のヒステシスと浸透性にどの程度影響するか。
• RQ4 FDTRとFDPRを併用して、NdNiO3のMIT中のナノスケールドメインダイナミクスを解明できるか。

主な発見

• NdNiO3 の法線方向熱伝導率 κ⊥ は冷却時に123.3 Kから110.0 Kの間で33%低下（熱的スイッチング）。
• κ⊥ の加熱・冷却曲線は弱いヒステシスを示し、面内測定と比較して異方性輸送を示唆。
• FDPRで測定されたアリュンポラ拡散係数 Da は MIT を跨いで120 Kから110 Kで急激に低下し、電気輸送より弱いヒステシスを示す。
• FDTR/FDPRフィットからスイッチ温度 Tswitch は 115 ± 4 K と決定。
• 薄膜厚さ（約57.5 nm）は推定ドメイン長に相当し（側方100–300 nm、垂直方向の浸透を橋渡し）、垂直方向のヒステシス抑制を説明。
• 20.6 nm の薄い NdNiO3 薄膜でも同様に面外ヒステシスの欠如が観察され、厚さの小さな変化に対しても効果が頑健である。

Figure 2: (a) Schematic of an integrated frequency-domain thermoreflectance (FDTR) and frequency-domain photoreflectance (FDPR) measurement setup. A continuous wave (CW) pump laser at 458 nm, power-modulated at a frequency $\omega/2\pi$ , excites the sample. A CW probe laser at 532 nm reads out the