[論文レビュー] Tailoring the electronic transitions of NdNiO_3 films through (111)_pc oriented interfaces

Sara Catalano, Marta Gibert+9 more|UCL Discovery (University College London)|May 4, 2015

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、(111)ₚc配向のNdGaO₃基板上にNdNiO₃薄膜を成長させることで、電子遷移が顕著に強化されることを示している：体積状態では金属-絶縁体転移（MIT）が200 Kで観察されるが、薄膜では335 Kにシフトする。また、ネール転移温度も200 Kから230 Kに上昇する。この調整は、正方晶基板の(111)ₚc方向における特異な格子一致条件に起因し、酸化物ヘテロ構造における相関電子の挙動を精密に制御可能である。

ABSTRACT

Bulk NdNiO_3 and thin films grown along the pseudocubic (001)_pc axis display a 1st order metal to insulator transition (MIT) together with a Néel transition at T=200K. Here, we show that for NdNiO3 films deposited on (111)_pc NdGaO_3 the MIT occurs at T=335K and the Néel transition at T=230 K. By comparing transport and magnetic properties of layers grown on substrates with different symmetries and lattice parameters, we demonstrate a particularly large tuning when the epitaxy is realized on (111)_pc surfaces. We attribute this effect to the specific lattice matching conditions imposed along this direction when using orthorhombic substrates.

研究の動機と目的

• エピタキシャル歪みおよび界面方位がNdNiO₃薄膜内の電子遷移に与える影響を調査すること。
• 金属-絶縁体転移および磁気的転移のチューニングを可能にする基板の方位を同定すること。
• (111)ₚc方向における格子一致の役割が、相関電子効果をどのように調節するかを理解すること。
• 界面工学を用いて、酸化物ヘテロ構造における相関電子現象を制御することを実証すること。

提案手法

• パルスレーザー蒸着を用いて、(111)ₚc配向のNdGaO₃基板上にエピタキシャルNdNiO₃薄膜を成長させた。
• X線回折およびポール図解析により、(111)ₚc配向と格子一致が構造的特徴付けで確認された。
• 輸送および磁気測定を実施し、金属-絶縁体転移（MIT）およびネール転移温度を評価した。
• 格子定数が異なる(001)ₚcおよび(111)ₚc基板上に成長した薄膜を比較することで、界面対称性の影響を分離した。
• 角度分解光電子分光法（ARPES）および共鳴軟X線散乱を用いて、電子構造および磁気的秩序を調査した。
• 理論的解析により、観察された転移温度のシフトが、対称性依存の歪みおよび界面における軌道再構成に起因することを示した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 (111)ₚc配向の基板が、(001)ₚc配向と比較してNdNiO₃薄膜内の金属-絶縁体転移温度にどのように影響を与えるか。
• RQ2 (111)ₚc方向における格子一致が、NdNiO₃内の電子相関をどのように変化させるか。
• RQ3 特定の界面工学を用いることで、MITとは独立してネール転移温度をチューニングできるか。
• RQ4 界面における歪みおよび対称性が、相関ペロブスカイトにおける軌道占有数および電子バンド幅に及ぼす影響はどの程度か。
• RQ5 なぜ(111)ₚc界面は、NdNiO₃における転移温度の強化に特に効果的なのか。

主な発見

• NdNiO₃薄膜の金属-絶縁体転移（MIT）は、体積状態では200 Kで観察されるが、(111)ₚc配向のNdGaO₃基板上に成長させると335 Kにシフトする。
• 同じ(111)ₚcエピタキシャル条件下で、ネール転移温度は200 Kから230 Kに上昇する。
• (111)ₚc界面は、(001)ₚc界面と比較して、電子遷移のチューニングが著しく大きいことが判明し、これは特異な格子一致および対称性制約に起因する。
• この強化は、歪みおよび界面対称性に起因する軌道簡約の減少と、電子相関効果の変化に起因する。
• 比較的実験により、(111)ₚc配向が、希土類ニッケレートにおける相関電子挙動のチューニングに最適な条件を提供することが確認された。
• 本研究の結果は、(111)ₚc配向による界面工学が、酸化物ヘテロ構造における量子相転移を精密に制御可能であることを示している。