[논문 리뷰] Observation of microscopic domain effects in the metal-insulator transition of thin-film NdNiO$_3$

Lucy S. Nathwani, Anne Ruperto외 9명|arXiv (Cornell University)|2026. 03. 22.

Thermal properties of materials인용 수 0

한 줄 요약

본 연구는 57.5 nm NdNiO3 얇은 필름에 대한 주파수 영역 열 반사(FDTR) 및 광 반사(FDPR)를 사용하여 금속-절연 전이(MIT) 동안 도메인 매개된 비등방성 수송을 밝히며, 평면 방향에 비해 수직 방향의 히스테시스가 감소하고 ambipolar 확산도 변화가 뚜렷하다는 것을 보여준다.

ABSTRACT

Perovskite oxides display correlated electrical, magnetic, and thermal properties that can be further tuned in the thin-film limit, making them contenders for next-generation electronics. Measuring thermal transport in thin films is challenging, because traditional techniques are dominated by the substrate. Here, frequency-domain thermoreflectance (FDTR) of an epitaxial NdNiO$_3$ thin film reveals a sharp change in out-of-plane thermal conductivity across the metal-insulator transition. Complementary frequency-domain photoreflectance (FDPR) reveals a large change in ambipolar diffusivity of photoexcited carriers. While the in-plane electrical resistance shows large hysteresis, out-of-plane thermal and charge transport shows negligible hysteresis. We attribute this discrepancy to anisotropy in the percolation of nanoscale domains across the transition as the film thickness approaches the domain length scale. We establish FDTR and FDPR as sensitive probes of quantum material phase transitions and highlight NdNiO$_3$ for thermal control and memory applications.

연구 동기 및 목표

• 온도 유도 금속-절연 전이를 전자 회로에서 조정 가능한 플랫폼으로 활용하기 위한 NdNiO3 얇은 필름의 타당성 제시.
• 에피택시 NdNiO3 필름에서 MIT를 가로지는 cross-plane(수직 방향) 열 수송을 조사하기.
• FDPR를 사용하여 MIT를 가로지르는 양전하와 음전하 운반체의 확산(ambipolar diffusion)을 탐색하고 전자 수송과 열 수송의 연계를 밝히기.
• 나노스케일 도메인 구조와 필름 두께가 거시적 수송 히스테시스에 미치는 영향을 이해하기.

제안 방법

• LaAlO3 기판 위 NdNiO3 필름의 수직 방향 열 전도도 κ⊥를 측정하기 위해 금(transducer)과 함께 FDTR를 사용한다(필름 두께 57.5 nm).
• MIT를 가로지르는 ambipolar 확산계 Da를 추출하기 위해 인접한 Bare 영역에서 FDPR를 사용한다.
• FDTR 데이터를 Fourier 열전도 모델로 피팅하여 κ⊥와 열 경계전도도 GFS를 추출하고, 기판 특성은 LaAlO3의 독립적인 FDTR 측정으로 고정한다.
• FDPR 신호를 운반체-열 확산 문제로 모델링하고 운반체 진폭 Aρ와 재결합 시간 τ를 고정하여 Da와 GFS를 견고하게 추출한다.
• κ⊥ 피팅의 안정성을 위해 NdNiO3 벌크 데이터에서 유도된 Debye 모델로 필름 열 용량을 고정한다.
• 냉각 및 가열 주기 비교를 통해 히스테시스를 평가하고 열적 및 전자적 프록시로 Tswitch를 식별한다.

Figure 1: (a) Distorted perovskite structure of NdNiO 3 in the insulating phase. (b) The structure in the metallic phase. The changes in octahedral tilts drive the transition 8 . (c) Temperature-dependent resistance capturing the MIT (see SI). $T_{\mathrm{MIT}}$ is 91 K during cooling and 124 K duri

실험 결과

연구 질문

• RQ1 NdNiO3 얇은 필름에서 MIT를 가로지르는 수직 방향 열전도도는 어떤 양상을 보이는가?
• RQ2 MIT를 가로지르는 ambipolar 확산계 Da는 어떻게 변화하며 열 수송과의 결합은 어떠한가?
• RQ3 얇은 필름 기하학 및 도메인 크기가 cross-plane 운송의 히스테시스와 페놀로에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 FDTR와 FDPR이 함께 NdNiO3의 MIT 동안 나노스케일 도메인 동역학을 해독할 수 있는가?

주요 결과

• NdNiO3의 수직 방향 열전도도 κ⊥는 냉각 중 123.3 K에서 110.0 K로 33% 감소(열 스위칭).
• 가열 및 냉각 곡선은 κ⊥에서 약한 히스테시스를 보이며, 평면 측정에 비해 수직 방향 수송이 이방적임을 시사한다.
• FDPR로 측정된 ambipolar 확산계 Da는 MIT를 가로질러 120 K에서 110 K로 급감하며, 전기 수송보다 약한 히스테시스를 보인다.
• FDTR/FDPR 피팅에서 전환 온도 Tswitch가 115 ± 4 K로 결정된다.
• 필름 두께(~57.5 nm)는 유추된 도메인 길이 스케일(가로 100–300 nm; 수직 방향으로 도메인이 페로콜링을 이루는 경우)과 비슷하여 수직 페로콜링의 한계를 초래하고 수직 히스테시스 감소를 설명한다.
• 두께가 더 얇은 20.6 nm NdNiO3 필름에서도 수직 방향 히스테시스의 유사한 부재가 관찰되어 이 효과가 두께의 약간의 변화에 대해 강건함을 시사한다.

Figure 2: (a) Schematic of an integrated frequency-domain thermoreflectance (FDTR) and frequency-domain photoreflectance (FDPR) measurement setup. A continuous wave (CW) pump laser at 458 nm, power-modulated at a frequency $\omega/2\pi$ , excites the sample. A CW probe laser at 532 nm reads out the