[論文レビュー] Theory of Mott insulator/band insulator heterostructure

Satoshi Okamoto, Andrew J. Millis|arXiv (Cornell University)|Apr 13, 2004

Electronic and Structural Properties of Oxides被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、Mott絶縁体（LaTiO3）とバンド絶縁体（SrTiO3）を組み合わせたLaTiO3/SrTiO3異質接合の理論的モデルを、Ti d電子に対してタイトバインディング法を用い、局所的クーロン相互作用にはハートリー・フォック法を、静電的スクリーニングにはハートリー近似を適用することで構築する。主な発見は、バルクが絶縁体のままでも界面付近が金属的であることであり、その特徴的な長さスケールは約3ユニットセル程度であり、それより外側では中心部がバルクと同等の性質を示す。

ABSTRACT

A theory of heterostructures comprised of LaTiO$_3$ (a Mott insulator) and SrTiO$_3$ (a band insulator) is presented. The band structure of the Ti $d$% -electrons is treated with a nearest neighbor tight-binding approximation; the electric fields arising from the La$^{3+}$/Sr$^{2+}$ charge difference and the carriers are treated within a Hartree approximation; and the on-site interactions are treated by unrestricted Hartree-Fock. The phase diagram as a function of interaction strength and layer number is determined and predictions are made for optical conductivity experiments. A note worthy finding is that the edges of the heterostructure are generally metallic.

研究の動機と目的

• Mott絶縁体（LaTiO3）とバンド絶縁体（SrTiO3）の界面における電子的相がバルクの挙動とどのように異なるかを理解すること。
• 局所的相互作用強度とLaTiO3層数を関数として、このような異質接合の電子的相図を特定すること。
• 光学的導電率応答を予測し、電子構造の変化に対する感受性を評価すること。
• 静電場、電荷漏れ、スクリーニングの役割が異質接合の電子的性質に与える影響を調査すること。
• 金属的エッジ状態の出現と、その輸送および相関効果への影響を検討すること。

提案手法

• Ti d電子のバンド構造を記述するために、最近接項のタイトバインディングモデルを用いる。
• La3+およびSr2+イオンに起因する長距離静電的ポテンシャルは、電子的電荷密度によるスクリーニングを含めてハートリー近似で取り扱う。
• 局所的電子間相互作用は、相関効果を捉えるために非制限ハートリー・フォック理論でモデル化する。
• 異なる相互作用強度と層数に対して、異質接合全体における電荷、スピン、軌道密度の空間的分布を計算する。
• 電子構造のプローブおよび相転移の検出を目的に、光学的導電率スペクトルを計算する。
• モデルは格子定数を固定し、原子の再配置を無視するものであり、主に静電的および相関効果に注目する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Mott絶縁体（LaTiO3）がバンド絶縁体（SrTiO3）と界面を形成した場合、その電子的相はどのように変化するか？
• RQ2 静電場および電荷再配分が、異質接合の電子的構造を決定づける役割を果たすか？
• RQ3 LaTiO3層数と局所的クーロン反発（U）の強さが、秩序状態の出現に与える影響は何か？
• RQ4 実験で観察される金属的エッジ状態は、本理論フレームワークで説明可能か？
• RQ5 光学的導電率測定は、電子的再構築および相転移をどれほど明確に反映するか？

主な発見

• バルクが絶縁体のままでも、界面付近は一般的に金属的であり、電荷漏れおよび静電的スクリーニング効果に起因する。
• バルクと同等の電子的性質を示す中心部に達するまでのクロスオーバー長さが約3ユニットセル程度であることが特定された。
• 6層以上のLaTiO3を有するスーパーラティスでは、中心部は絶縁体のままであるが、各側面の外側約3層が金属的である。
• 計算された遷移領域の幅（約3層）は、実験で観測された値よりも小さいため、コンfiningポテンシャルの過大評価、または相互拡散の寄与が考えられる。
• 相図では層数の奇数・偶数に起因する交互な挙動が示され、U ~ 7t–12tの領域に達することで、層厚さによって相境界を調整可能となる可能性がある。
• 光学的導電率スペクトルは、特に異なる秩序状態間の遷移を検出するうえで、電子構造の感受性が高いプローブであると予測される。