[论文解读] Metal-insulator transition in ultrathin LaNiO3 films

R. Scherwitzl, Stefano Gariglio+4 more|UCL Discovery (University College London)|Jan 26, 2011

Magnetic and transport properties of perovskites and related materialsMaterials Science被引用 16

一句话总结

本研究探究了在SrTiO3衬底上外延生长的超薄LaNiO3（LNO）薄膜中的金属-绝缘体（MI）转变，发现随着厚度减小，体系由金属性转变为强局域化行为，中间厚度区间以弱局域化效应为主导。关键发现为各向同性的负磁阻，表明存在与自旋玻璃或电荷有序反铁磁态临近相关的磁散射，尽管长程有序缺失。

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.

研究动机与目标

• 理解当LaNiO3薄膜厚度减小至8个单胞以下时其输运行为的演化。
• 确定二维LaNiO3薄膜中金属-绝缘体转变的起源。
• 研究弱局域化区中量子修正与磁阻各向异性的性质。
• 确定在局域化转变附近，电子-电子关联还是磁散射在输运中占主导地位。

提出的方法

• 通过非对准射频磁控溅射法在（001）取向的SrTiO3衬底上外延生长LaNiO3薄膜，以实现完全应变和c轴取向。
• 在液氦循环制冷机中，从1.5 K到300 K进行输运测量，配备超导磁体以探测电阻率和磁阻。
• 测量面电阻和温度依赖的电阻率，以识别金属性、弱局域化和绝缘性区域。
• 应用弱局域化理论拟合低温电导率修正，使用关系式 $ k_F l = h/e^2 / R_{\text{sheet}} $，其中 $ R_{\text{sheet}} \approx 25\,\text{k}\Omega $ 为量子电阻。
• 测量平行和垂直于薄膜平面的磁场方向下的磁阻，以评估各向异性。
• 采用Maekawa-Fukuyama理论解释各向同性磁阻，通过引入自旋涨落和能量弛豫时间 $ \tau_\varepsilon $ 与 $ \tau_s $ 来描述磁散射。

实验结果

研究问题

• RQ1 当厚度减小至接近二维量子电阻尺度时，超薄LaNiO3薄膜的输运行为如何演化，特别是其在该尺度附近的特征？
• RQ2 在弱局域化区中，为何观察到各向同性的负磁阻，而平面内磁场应抑制轨道效应？
• RQ3 磁散射机制（如自旋涨落或由无序诱导的磁矩）在多大程度上可解释这些输运异常？
• RQ4 金属-绝缘体转变是由维度交叉、无序还是电子关联效应在二维极限下主导？
• RQ5 氧空位和Ni2+离子在诱导磁散射及接近自旋玻璃或电荷有序态中起什么作用？

主要发现

• 当LaNiO3薄膜厚度减小至8个单胞以下时，发生金属-绝缘体转变，5个单胞厚度的薄膜面电阻接近 $ h/e^2 \approx 25\,\text{k}\Omega $，表明强局域化。
• 在中间厚度区间（7个单胞薄膜），观察到低温电阻率上升，并通过弱局域化理论定量解释为 $ \rho = \rho_0 + A T^2 $，其中 $ A = 7.7 \times 10^{-3}\, \mu\Omega\text{cmK}^{-2} $。
• 在1.5 K下，平行和垂直于薄膜平面的磁场方向均表现出各向同性磁阻，且角度依赖性在0.01%以内，表明磁散射占主导。
• 各向同性磁阻由Maekawa-Fukuyama理论解释，该理论通过自旋涨落引入磁散射，当 $ \tau_s > \tau_\varepsilon $ 且 $ \tau_\varepsilon / \tau_s > \beta D^2 e^2 / \mu_B^2 $ 时成立，其中 $ \beta \approx 0.06 $。
• 磁散射归因于氧空位形成的Ni2+离子，或与RNiO3家族中电荷有序反铁磁态的临近效应。
• 在弱局域化区未发现强电子-电子相互作用的明确信号，但此类效应可能在最强局域化薄膜中占主导。