[논문 리뷰] Dimensional crossover of the electronic structure in LaNiO3 ultrathin films: Orbital reconstruction, Fermi surface nesting, and the origin of the metal-insulator transition

Hyang Keun Yoo, Seung Hyun외 10명|arXiv (Cornell University)|2013. 09. 03.

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 현장에서의 입사각 분석 광전자분광법(ARPES)을 사용하여 초박막 LaNiO3 필름의 전자 구조를 조사하여 약 3단위 세포 두께에서 차원의 전이가 발생하는 것으로 밝혀냈다. 금속-절연체 전이의 주요 원인으로 궤도함수 재구성과 강화된 피에르 표면 네스팅을 규명하였으며, 1단위 세포 필름에서 관측된 피에르 표면과는 달리 절연체 행동을 보이는 이유로 앤더슨 국소화를 제시하였다.

ABSTRACT

Dimensionality control in the LaNiO3 (LNO) heterostructure has attracted attention due to its two-dimensional (2D) electronic structure was predicted to have an orbital ordered insulating ground state, analogous to that of the parent compound of high-Tc cuprate superconductors [P. Hansmann et al., Phys. Rev. Lett. 103, 016401 (2009)]. Here, we directly measured the electronic structure of LNO ultrathin films using in situ angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES). We recognized the dimensional crossover of the electronic structure around 3-unit cells (UC)-thick LNO film and observed the orbital reconstruction. However, complete orbital ordering was not achieved. Instead, we observed that the Fermi surface nesting effect became strong in the 2D LNO ultrathin film. These results indicated that the orbital reconstruction should be described by taking into account the strong nesting effect to search for the novel phenomena, such as superconductivity in 2D LNO heterostructure. In addition, the APRES spectra showed that the Fermi surface existed down to a 1-UC-thick film, which showed insulating behavior in transport measurements. We suggested that the metal-insulator transition in the transport properties may originate from Anderson localization.

연구 동기 및 목표

• 필름 두께를 2차원 한계에 도달할 정도로 감소시킬 때 LaNiO3 초박막 필름의 전자 구조 변화를 이해하는 것.
• 궤도함수 재구성과 피에르 표면 네스팅이 금속-절연체 전이를 이끄는 데 미치는 역할을 조사하는 것.
• 1단위 세포 필름에서 관측된 피에르 표면과 그들의 절연체 전기적 거동 사이의 명백한 모순을 해결하는 것.
• 금속-절연체 전이가 전자 상호작용에 기인하는지, 국소화 효과에 기인하는지 규명하는 것.

제안 방법

• 원자 스케일 두께 제어를 통해 LaNiO3 필름의 전자 밴드 구조를 직접 탐사하기 위해 현장에서의 입사각 분석 광전자분광법(ARPES)을 사용하였다.
• 1에서 5단위 세포의 두께를 가진 필름을 STO 기반재에 에피택셜 성장시켜 차원의 전이를 체계적으로 연구하였다.
• 열적 넓이 증가를 방지하고 표면 민감도를 유지하기 위해 실온에서 ARPES 측정을 수행하였다.
• 피에르 표면 네스팅은 피에르 수준 근처의 전자 상태의 운동량 공간 분포를 맵핑하여 분석하였다.
• 궤도함수 재구성은 전자 구조 내에서 Ni 3d에서 유래한 밴드의 분리와 분산을 추적하여 평가하였다.
• 전기적 거동과 전자 구조를 비교하기 위해 ARPES 데이터와 운반 측정을 연계하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LaNiO3 필름의 두께가 3단위 세포 이하로 감소할 때 전자 구조는 어떻게 변화하는가?
• RQ2 초박막 LaNiO3 필름에서 궤도함수 재구성이 어느 정도 발생하며, 전자적 성질에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 1단위 세포 LaNiO3 필름은 왜 ARPES에서 피에르 표면이 관측됨에도 불구하고 절연체 전기적 거동을 보이는가?
• RQ4 초박막 LaNiO3에서의 금속-절연체 전이가 전자 상호작용에 의해 발생하는지, 국소화 효과에 의해 발생하는지 여부는 무엇인가?

주요 결과

• 3단위 세포 두께에서 LaNiO3 필름의 전자 구조에 차원의 전이가 관측되었으며, 이는 3차원 유사 밴드 분산에서 2차원 유사 밴드 분산으로의 전이로 나타났다.
• 궤도함수 재구성이 확인되었지만, 완전한 궤도함수 정렬은 달성되지 않아 대칭성 붕괴가 불완전함을 시사하였다.
• 피에르 표면 네스팅은 2차원 필름에서 크게 강화되었으며, 특히 3단위 세포 영역에서 두드러져 전자 밀도파 또는 초전도 불안정성 경향을 암시하였다.
• 1단위 세포 필름에서도 ARPES를 통해 피에르 표면이 명백히 관측되어 피에르 수준의 금속 상태 존재를 시사하였다.
• 관측된 피에르 표면에도 불구하고 1단위 세포 필름은 절연체 전기적 거동를 보였으며, 이는 금속-절연체 전이가 모트 또는 궤도함수 정렬 효과가 아닌 앤더슨 국소화에 의해 유도됨을 시사하였다.
• 결과적으로 피에르 표면 네스팅과 국소화 효과를 함께 고려해야만 2차원 LaNiO3 이방성 구조의 전자 상 다이어그램을 이해할 수 있음을 암시한다.