[論文レビュー] Onset of metallic behavior in strained (LaNiO3)n/(SrMnO3)2 superlattices

Steven J. May, Tiffany Santos+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 20, 2009

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、オゾン補助分子線エpitaxial法を用いてSrTiO₃基板上に成長した(LaNiO₃)ₙ/(SrMnO₃)₂スーパーラティスにおける応力誘発金属絶縁体転移を調査した。nが1から4に増加するに従い、系はギャップを持つ絶縁体（n=1）からハッピング伝導体（n=2）へと進化し、最終的に金属（n=4）となる。強い電子散乱により平均自由行程が約3 Åにまで短縮されているが、金属的伝導が観察されるため、強力な電子局在が生じていると考えられる。

ABSTRACT

(LaNiO3)n/(SrMnO3)2 superlattices were grown using ozone-assisted molecular beam epitaxy. In situ reflection high energy electron diffraction and x-ray scattering has been used to characterize the structural properties of the superlattices, which are strained to the SrTiO3 substrates. The superlattices exhibit excellent crystallinity and interfacial roughness of less than one unit cell. A metal-insulator transition is observed as $n$ is decreased from 4 to 1. Analysis of the transport data suggests an evolution from gapped insulator (n=1) to hopping conductor (n=2) to metal (n=4) with increasing LaNiO3 concentration.

研究の動機と目的

• LaNiO₃層厚さ（n）の関数として、歪みを受ける(LaNiO₃)ₙ/(SrMnO₃)₂スーパーラティスの電子的輸送挙動を調査すること。
• これらのスーパーラティスにおける引張歪みと界面封じ込めが、金属的状態や相関電子状態（強磁性や超伝導を含む）を誘発するかどうかを特定すること。
• インシチューエックス線および電子回折を用いて、スーパーラティスの構造的品質および界面の鋭さを特徴付けること。
• LaNiO₃とSrMnO₃層間の電荷移動および電子的ハイブリダイゼーションが、異質接合の絶縁体的または金属的性質を決定する役割を明らかにすること。
• 今後の neutron 撃砲および共鳴X線散乱測定を通じて、反強磁性秩序や軌道再配置といった顕在的量子臨界現象の可能性を評価すること。

提案手法

• エピタキシャル(LaNiO₃)ₙ/(SrMnO₃)₂スーパーラティスは、550 °Cでオゾン補助分子線エpitaxial法を用いてSrTiO₃ (001)基板上に成長した。
• 高結晶性および歪み状態の確認のために、インシチューリフレクション高エネルギー電子回折（RHEED）およびX線回折が用いられた。
• X線回折を用いて、格子定数およびc軸パラメータを測定し、c/a ≈ 0.98の引張歪みが確認された。
• van der Pauw法を用いて、温度および磁場の関数として抵抗率およびシート抵抗を抽出するための輸送測定が実施された。
• Mott式を用いて平均自由行程（l）を推定した：l = (3π²/4)^(1/3) ħv_F / (ρ₀e²)，ここでρ₀は残留抵抗率である。
• スピン依存散乱を調べ、低温での抵抗率上昇の原因が弱い局在化に起因するかどうかを特定するため、磁気抵抗を測定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LaNiO₃層の数（n）を1から4に変化させた場合、(LaNiO₃)ₙ/(SrMnO₃)₂スーパーラティスにおける電子的輸送挙動はどのように変化するか？
• RQ2 Ni 3d⁷電子が存在するにもかかわらず、n=1のスーパーラティスにおける絶縁体状態の性質は、ギャップありか変動範囲ハッピングか？
• RQ3 (LaNiO₃)₁/(SrMnO₃)₂スーパーラティスは、金属的であると予想される類縁系(LaMnO₃)₁/(SrMnO₃)₂とは異なり、強く絶縁的であるのはなぜか？
• RQ4 n=4のスーパーラティスで50 K未満で抵抗率が異常的に増加する原因は何か？これは電子間相互作用かスピン散乱に起因するか？
• RQ5 これらのスーパーラティスで反強磁性秩序や軌道再配置を検出できるか？界面電荷移動はその役割を果たすか？

主な発見

• (LaNiO₃)ₙ/(SrMnO₃)₂スーパーラティスは、c/a ≈ 0.98の歪みを示しており、エピタキシャル成長および引張歪みが確認された。
• インシチューエックス線および電子回折により、界面粗さが1ユニットセル未満であるなど、優れた結晶性が確認された。
• n=1では、低温で抵抗率が上昇するため、ギャップを持つ絶縁体として振る舞い、Mott絶縁体と整合的である。
• n=2では、抵抗率が活性化温度依存性を示し、ギャップなし状態を介したハッピング伝導であることが示された。
• n=4では、金属的となるが、5 Kでの残留抵抗率は5.4×10⁻⁵ Ω·cmであり、平均自由行程がわずか3 Åにまで短縮されている。これは強い電子散乱を示唆している。
• 5 Kおよび8 Tで最大1.5%の負の磁気抵抗が観測され、これは等方的であり、弱い局在化を除外する。低温抵抗率上昇の原因としてスピン関連散乱が可能性として挙げられる。