[논문 리뷰] Onset of metallic behavior in strained (LaNiO3)n/(SrMnO3)2 superlattices

Steven J. May, Tiffany Santos외 1명|arXiv (Cornell University)|2009. 02. 20.

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 오존 보조 분자 빔 에pitaxial 기술을 사용해 SrTiO₃ 기질 상에 성장시킨 (LaNiO₃)ₙ/(SrMnO₃)₂ 초층구조에서의 변형 유도 금속-절연체 전이를 조사한다. n이 1에서 4로 증가함에 따라 시스템은 간극이 있는 절연체(n=1)에서 히팅 도전체(n=2)로 변화하고 마지막으로 금속(n=4)으로 전이되며, 강한 전자 산란로 인해 평균 자유로움 길이가 약 3 Å로 감소한다. 이는 금속적 도전성에도 불구하고 강한 전자 국소화가 존재함을 시사한다.

ABSTRACT

(LaNiO3)n/(SrMnO3)2 superlattices were grown using ozone-assisted molecular beam epitaxy. In situ reflection high energy electron diffraction and x-ray scattering has been used to characterize the structural properties of the superlattices, which are strained to the SrTiO3 substrates. The superlattices exhibit excellent crystallinity and interfacial roughness of less than one unit cell. A metal-insulator transition is observed as $n$ is decreased from 4 to 1. Analysis of the transport data suggests an evolution from gapped insulator (n=1) to hopping conductor (n=2) to metal (n=4) with increasing LaNiO3 concentration.

연구 동기 및 목표

• LaNiO₃ 계층 두께(n)에 따른 변형된 (LaNiO₃)ₙ/(SrMnO₃)₂ 초층구조의 전자 전도성 거동을 조사하기 위해.
• 이러한 초층구조에서의 인장 변형과 계면 봉쇄가 금속 상태 또는 상관 전자 상태(예: 자화성 또는 초전도성 포함)를 유도할 수 있는지 확인하기 위해.
• 현장 내 x선 및 전자 회절을 사용하여 초층구조의 구조적 품질과 계면의 급격한 변화 정도를 특성화하기 위해.
• LaNiO₃와 SrMnO₃ 계층 간의 전하 이동과 전자 혼성화가 이 이종구조의 절연체 또는 금속적 성질을 결정하는 데 미치는 역할을 탐색하기 위해.
• 미래의 중성자 및 공진형 X선 산란 연구를 통해 잠재적인 새로운 양자 현상(예: 반자성 질서 또는 오비탈 재구성)을 평가하기 위해.

제안 방법

• 550 °C에서 오존 보조 분자 빔 에pitaxial 기술을 사용해 (LaNiO₃)ₙ/(SrMnO₃)₂ 초층구조를 SrTiO₃ (001) 기질 상에 에pitaxial 성장시켰다.
• 고정밀 결정성과 변형 상태를 확인하기 위해 현장 내 반사 고에너지 전자 회절(RHEED) 및 X선 회절을 사용하였다.
• X선 회절을 통해 격자 상수 및 c축 파aram터를 측정하였으며, c/a ≈ 0.98로 나타나 인장 변형이 있음을 확인하였다.
• 저온 및 외부 자기장 조건에 따른 저항도 및 시트 저항도를 추출하기 위해 반데르팔 전도도 기하구조를 사용하여 전도성 측정을 수행하였다.
• 평균 자유로움 길이(l)는 Mott 공식을 사용하여 추정하였다: l = (3π²/4)^(1/3) ħv_F / (ρ₀e²), 여기서 ρ₀는 잔류 저항도이다.
• 스핀에 의존하는 산란를 조사하고 약한 국소화가 저온에서 저항도 증가의 원인인지 여부를 배제하기 위해 자기저항도를 측정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LaNiO₃ 계층 수(n)를 1에서 4로 변화시킬 때 (LaNiO₃)ₙ/(SrMnO₃)₂ 초층구조의 전자 전도성 거동은 어떻게 변화하는가?
• RQ2 Ni 3d⁷ 전자 존재 조건에서 n=1 초층구조의 절연체 상태는 간극이 있는지, 아니면 가변 범위 히팅인지?
• RQ3 (LaNiO₃)₁/(SrMnO₃)₂ 초층구조가 강한 절연체임에도 불구하고 유사한 (LaMnO₃)₁/(SrMnO₃)₂ 체계는 금속적임에도 불구하고 이는 왜 그런가?
• RQ4 n=4 초층구조에서 50 K 이하에서 저항도가 비정상적으로 증가하는 원인은 무엇이며, 이는 전자-전자 상호작용인지 스피너 산란인지?
• RQ5 이러한 초층구조에서 반자성 질서 또는 오비탈 재구성이 감지될 수 있는가? 그리고 계면 전하 이동은 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• (LaNiO₃)ₙ/(SrMnO₃)₂ 초층구조는 c/a ≈ 0.98로 나타나 기질인 SrTiO₃에 의해 변형되어 있으며, 이는 에pitaxial 성장과 인장 변형을 확인한다.
• 현장 내 X선 및 전자 회절을 통해 계면 불규칙도가 한 단위세포 이하인 우수한 결정성과 함께 높은 구조적 품질을 확보하였다.
• n=1일 때 시스템은 간극이 있는 절연체로 행동하며, 저온에서 저항도가 증가하는 경향을 보이며, 이는 Mott 절연체와 일치한다.
• n=2일 때 저항도는 활성화된 온도 의존성을 보이며, 비간극 상태를 통한 히팅 도전을 나타낸다.
• n=4일 때 시스템은 금속적으로 행동하며, 5 K에서 잔류 저항도가 5.4×10⁻⁵ Ω·cm로 측정되었지만, 평균 자유로움 길이는 단지 3 Å로 매우 짧아 강한 전자 산란을 나타낸다.
• 5 K 및 8 T 조건에서 최대 1.5%의 음성 자기저항도가 관측되었으며, 이는 등방성으로 나타나 약한 국소화를 배제하고, 저온에서 저항도 증가의 원인이 스핀에 기인한 산란일 가능성이 있음을 시사한다.