[논문 리뷰] Metal-insulator transition in ultrathin LaNiO3 films

R. Scherwitzl, Stefano Gariglio외 4명|UCL Discovery (University College London)|2011. 01. 26.

Magnetic and transport properties of perovskites and related materialsMaterials Science인용 수 16

한 줄 요약

이 연구는 스트론티타늄산화물 기질 상에 에pitaxial으로 성장시킨 초박공한 라니타이오산화물(LaNiO3, LNO) 양자막에서의 금속-절연체(MI) 전이를 조사하며, 두께가 감소함에 따라 금속성에서 강한 국소화 행동으로의 전이가 발생하고, 중간 영역에서는 약한 국소화 효과가 지배적임을 밝혀냈다. 주요 발견은 이방성 없는 음성 자기저항성으로, 장거리 질서가 없는 상태에서 스핀거품 또는 전하순서화된 반자성 상태에 근접해 있을 때 자기적 산란이 관련되어 있음을 시사한다.

ABSTRACT

Transport in ultrathin films of LaNiO3 evolves from a metallic to a strongly localized character as the film's thickness is reduced and the sheet resistance reaches a value close to h/e2, the quantum of resistance in two dimensions. In the intermediate regime, quantum corrections to the Drude low- temperature conductivity are observed; they are accurately described by weak localization theory. Remarkably, the negative magnetoresistance in this regime is isotropic, which points to magnetic scattering associated with the proximity of the system to either a spin glass state or the charge ordered antiferromagnetic state observed in other rare earth nickelates.

연구 동기 및 목표

• 두께가 8 단위세포 이하로 감소할 때 초박공한 라니타이오산화물 양자막의 전도도 변화를 이해하기 위해
• 2차원 라니타이오산화물 양자막에서의 금속-절연체 전이 기원을 규명하기 위해
• 약한 국소화 영역에서의 양자 보정 및 자기저항성 이방성의 성격을 조사하기 위해
• 국소화 전이 근처에서 전자-전자 상호작용 또는 자기적 산란이 전도도에 더 큰 기여를 하는지 확인하기 위해

제안 방법

• 완전한 응력과 c축 정렬을 확보하기 위해 오프애크스 rf 마그네퍼터 스퍼터링을 이용해 (001) 스트론티타늄산화물 기질 상에 에pitaxial 라니타이오산화물 양자막을 성장시켰다.
• 헬륨 유동 냉각기와 초전도 자기장을 이용해 1.5 K에서 300 K까지의 전기적 측정을 수행하여 저항도와 자기저항성을 조사하였다.
• 시트 저항도와 온도 의존 저항도를 측정하여 금속성, 약한 국소화, 절연체 영역을 식별하였다.
• 저온에서의 전도도 보정을 분석하기 위해 약한 국소화 이론을 적용하였으며, 관계식 $ k_F l = h/e^2 / R_{\text{sheet}} $ 를 사용하였고, 여기서 $ R_{\text{sheet}} \approx 25\,\text{k}\Omega $ 는 양자 저항도로 간주되었다.
• 이방성 평가를 위해 평면 내 및 평면 외 자기장 방향에서 자기저항성을 측정하였다.
• 마에카와-후쿠야마 이론을 사용하여 자기적 산란을 스핀 플럭추에이션과 에너지 회복 시간 $ \tau_\varepsilon $ 및 $ \tau_s $ 를 통해 설명함으로써 이방성 없는 자기저항성을 해석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 두께가 감소함에 따라 초박공한 라니타이오산화물 양자막의 전도 행동이 어떻게 변화하는가. 특히 2차원 양자 저항도 척도 근처에서 어떻게 되는가?
• RQ2 평면 내 자기장에서 궤도 기여가 억제되어야 할 때, 약한 국소화 영역에서 관측된 이방성 없는 음성 자기저항성의 원인은 무엇인가?
• RQ3 스핀 플럭추에이션 또는 불순물에 의한 자기적 순간과 같은 자기적 산란 메커니즘이 전도 이상 현상에 얼마나 기여하는가?
• RQ4 금속-절연체 전이가 2차원 한계에서 차원성 변화, 불순물, 또는 전자 상호작용 효과에 의해 주도되는가?
• RQ5 산소 부족과 Ni2+ 이온이 스핀거품 또는 전하순서화된 반자성 상태에 근접하게 만들고, 자기적 산란을 유도하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 라니타이오산화물 양자막의 금속-절연체 전이가 두께가 8 단위세포 이하로 감소할 때 발생하며, 5 단위세포 두께의 경우 시트 저항도가 $ h/e^2 \approx 25\,\text{k}\Omega $ 근처에 있어 강한 국소화를 나타냄.
• 중간 영역(7 단위세포 두께)에서 저온에서의 저항도 상승이 관측되었고, 이는 약한 국소화 이론에 의해 정량적으로 설명되었으며, $ \rho = \rho_0 + A T^2 $ 를 만족하며, 여기서 $ A = 7.7 \times 10^{-3}\, \mu\Omega\text{cmK}^{-2} $.
• 1.5 K에서 평면 내 및 평면 외 자기장 모두에서 자기저항성이 이방성이 없었으며, 각도 의존성이 0.01% 이내로 관측되어 주로 자기적 산란이 지배적임을 시사함.
• 이방성 없는 자기저항성은 마에카와-후쿠야마 이론에 의해 설명되었으며, 이 이론은 $ \tau_s > \tau_\varepsilon $ 이고 $ \tau_\varepsilon / \tau_s > \beta D^2 e^2 / \mu_B^2 $ 를 만족할 때 스핀 플럭추에이션을 통한 자기적 산란을 고려함. 여기서 $ \beta \approx 0.06 $.
• 자기적 산란은 산소 부족에 의해 생성된 Ni2+ 이온 또는 RNiO3 계열에서 전하순서화된 반자성 상태에 인접해 있을 때 기인함.
• 약한 국소화 영역에서는 강한 전자-전자 상호작용의 명확한 징후를 발견하지 못했지만, 가장 강하게 국소화된 양자막에서는 이러한 효과가 지배적일 수 있음.