[論文レビュー] Tunable Charge and Spin Order in PrNiO$_3$ Thin Films and Superlattices

Matthias Hepting, M. Minola+11 more|HZB Repository (Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH (HZB))|Oct 30, 2014

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、共焦点偏光ラマン分光法および共鳴X線散乱を用いて、エピタキシャル歪みおよび空間的制限が、PrNiO₃薄膜およびスーパーラティスにおける電子秩序とスピン秩序を制御することを実証した。理論的予測であるスピン密度波相が主な秩序パラメータであることが確認され、電荷秩序は対称性依存的な副次的現象であることが判明し、引張歪みと圧縮歪みの下で顕著な異なる電子状態が明らかになった。

ABSTRACT

We have used polarized Raman scattering to probe lattice vibrations and charge ordering in 12 nm thick, epitaxially strained PrNiO$_3$ films, and in superlattices of PrNiO$_3$ with the band-insulator PrAlO$_3$. A carefully adjusted confocal geometry was used to eliminate the substrate contribution to the Raman spectra. In films and superlattices under tensile strain, which undergo a metal-insulator transition upon cooling, the Raman spectra reveal phonon modes characteristic of charge ordering. These anomalous phonons do not appear in compressively strained films, which remain metallic at all temperatures. For superlattices under compressive strain, the Raman spectra show no evidence of anomalous phonons indicative of charge ordering, while complementary resonant x-ray scattering experiments reveal antiferromagnetic order associated with a modest increase in resistivity upon cooling. This confirms theoretical predictions of a spin density wave phase driven by spatial confinement of the conduction electrons.

研究の動機と目的

• エピタキシャル歪みおよび空間的制限が、PrNiO₃薄膜およびスーパーラティスにおける電荷秩序とスピン秩序をどのように制御するかを調査すること。
• ニッケレート系において、電荷秩序がスピン密度波形成に対して主因であるか、副次的であるかという長年の議論を解消すること。
• ラマン分光法において、基板寄りの寄与を分離し、超薄膜酸化物における弱い格子振動異常を特定する手法を開発すること。
• 格子振動異常と相関酸化物ヘテロ構造における金属絶縁体転移との直接的な関連を確立すること。
• 2次元相関系においてスピン密度波駆動型電子相を予測する理論モデルに対する実験的裏付けを提供すること。

提案手法

• 基板のラマンバックグラウンドを低減し、12 nm 厚のPrNiO₃薄膜およびPrNiO₃/PrAlO₃スーパーラティスからの信号を分離するために、偏光632.8 nmレーザーを用いた共焦点幾何学を採用した。
• Ni L₃端で共鳴X線散乱を用い、(1/4, 1/4, 1/4) ブラッグ反射強度を測定することで、非同一磁気秩序を検出した。
• 温度依存的ラマン分光法を実施し、特に引張歪みを受ける試料において、電荷秩序に関連する異常な格子振動モードを特定した。
• van-der-Pauw法を用いて抵抗率を測定し、電子輸送と構造的・電子的相転移を関連づけた。
• ハードX線を用いた逆空間マッピングを実施し、薄膜およびスーパーラティスにおける完全なエピタキシャル歪みを確認した。
• LSAT上での引張歪み試料とLSAO上での圧縮歪み試料を比較することで、歪みおよび制限の役割を分離した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 エピタキシャル歪みは、PrNiO₃薄膜およびスーパーラティスにおける電荷秩序を誘発するか、または抑制するか？
• RQ2 これらの系において、スピン密度波形成に対して電荷秩序は主因の秩序パラメータか、副次的か？
• RQ3 共焦点ラマン分光法は、超薄膜で歪みを受ける酸化物ヘテロ構造における電荷秩序に関連する格子振動異常を検出可能か？
• RQ4 スーパーラティスにおける空間的制限は、電荷秩序およびスピン秩序の安定性と対称性にどのように影響するか？
• RQ5 理論的予測であるスピン密度波駆動型転移は、実験的に実現された2次元相関系においてどの程度成立するか？

主な発見

• 引張歪みを受けるPrNiO₃薄膜およびスーパーラティスに、375 cm⁻¹（A_g）および445 cm⁻¹（B_1g）の異常な格子振動モードが観測され、これが金属絶縁体転移温度T_MITと一致した。
• 圧縮歪みを受ける試料ではこれらの異常モードが観測されず、圧縮歪み下では顕著な電荷調制がないことが示された。
• 共鳴X線散乱により、引張歪みおよび圧縮歪みの両方のスーパーラティスで同一の非同一磁気秩序が確認されたが、電荷秩序は異なる。
• 圧縮歪みを受けるスーパーラティスでは電荷秩序の振幅が強く抑制された一方で、スピン秩序は安定しており、スピン密度波が主な秩序パラメータであることが確認された。
• スーパーラティスにおけるB_1g格子振動モードは、自由膜に比べてエネルギーが約20 cm⁻¹高く、かつ広がっており、電子-格子振動結合に歪みおよび制限効果が及んでいることが示された。
• 電荷秩序状態の『スピン液体』状態の証拠は得られず、磁気秩序の過熱状態は電荷秩序よりも広い温度範囲にわたり持続しており、両者の秩序が分離していることが示された。