[论文解读] 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 Hyun+10 more|arXiv (Cornell University)|Sep 3, 2013

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials被引用 3

一句话总结

本研究利用原位角分辨光电子能谱（ARPES）研究了超薄LaNiO3薄膜的电子结构，揭示了在约3个单胞厚度处存在维度交叉转变。研究识别出轨道重构和增强的费米面嵌套是金属-绝缘体转变的关键驱动力，表明尽管1个单胞薄膜中可观测到费米面，其绝缘行为的起源仍为安德森局域化。

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.

研究动机与目标

• 理解LaNiO3超薄薄膜在厚度减小至二维极限时电子结构的演化过程。
• 研究轨道重构与费米面嵌套在驱动金属-绝缘体转变中的作用。
• 解决在1个单胞薄膜中观测到的费米面与其实测绝缘输运行为之间的明显矛盾。
• 确定金属-绝缘体转变是由电子关联效应还是局域化效应引起。

提出的方法

• 采用原位角分辨光电子能谱（ARPES）直接探测LaNiO3薄膜在原子尺度厚度控制下的电子能带结构。
• 薄膜在STO衬底上外延生长，厚度范围为1至5个单胞，以系统研究维度交叉转变。
• ARPES测量在室温下进行，以避免热展宽并保持表面灵敏度。
• 通过映射费米能级附近电子态在动量空间的分布，分析费米面嵌套。
• 通过追踪电子结构中Ni 3d衍生能带的分裂与色散，评估轨道重构。
• 将输运测量结果与ARPES数据相关联，比较电子结构与宏观电学行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 当LaNiO3薄膜厚度减小至3个单胞以下时，其电子结构如何演化？
• RQ2 在超薄LaNiO3薄膜中，轨道重构的程度如何？其对电子性质有何影响？
• RQ3 为何1个单胞LaNiO3薄膜虽在ARPES中可观测到费米面，却表现出绝缘输运行为？
• RQ4 超薄LaNiO3中的金属-绝缘体转变是由电子关联效应还是局域化效应驱动？

主要发现

• 在约3个单胞厚度处观测到LaNiO3薄膜电子结构的维度交叉转变，表现为从三维类似到二维类似的能带色散转变。
• 检测到轨道重构，但未实现完全的轨道有序，表明对称性破缺不完全。
• 在二维薄膜中，费米面嵌套显著增强，尤其在3个单胞范围内，表明存在电荷密度波或超导不稳定性趋势。
• 在1个单胞薄膜中，ARPES仍可观测到费米面，表明费米能级处存在金属态。
• 尽管观测到费米面，1个单胞薄膜仍表现出绝缘输运行为，表明金属-绝缘体转变由安德森局域化驱动，而非莫特或轨道有序效应。
• 结果表明，理解二维LaNiO3异质结构电子相图必须同时考虑费米面嵌套与局域化效应。