[论文解读] Novel electronic behavior driving NdNiO3 metal-insulator transition

M. H. Upton, Yongseong Choi+6 more|arXiv (Cornell University)|Dec 1, 2014

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials参考文献 1被引用 3

一句话总结

本研究揭示，在拉伸应变的NdNiO3中，金属-绝缘体转变（MIT）是由电子密度从Ni 3d轨道重新分布至Nd 5d轨道所驱动，而非电荷歧化或对称性变化。共振非弹性X射线散射（RIXS）和X射线吸收谱（XAS）显示，Ni $d_{x^2-y^2}$轨道占据数减少，Nd的电荷占据数增加，表明电子发生转移，导致Ni 3d电子局域化，并通过与O 2p态的杂化打开绝缘能隙。

ABSTRACT

We present evidence that the metal-insulator transition (MIT) in a tensile strained NdNiO3 (NNO) film is facilitated by a redistribution of electronic density and neither requires Ni charge disproportionation nor symmetry change [1, 2]. Given epitaxial tensile strain in thin NNO films induces preferential occupancy of the $e_g$ $d_{x^2-y^2}$ orbital ($s_{3z^2-r^2}$) we propose the larger transfer integral of this orbital state with the O 2p mediates a redistribution of electronic density from the Ni atom. A decrease in Ni $d_{x^2-y^2}$ orbital occupation is directly observed by resonant inelastic x-ray scattering below the MIT temperature. Furthermore, an increase in Nd charge occupancy is measured by x-ray absorption at the Nd L3 edge. Both spin-orbit coupling and crystal field effects combine to break the degeneracy of the Nd 5d states shifting the energy of the Nd $e_g$ $d_{x^2-y^2}$ orbital towards the Fermi level allowing the A site to become an active acceptor during the MI transition. This work identifies the relocation of electrons from the Ni 3d to the Nd 5d orbitals across the MIT. We propose the insulating gap opens between the Ni 3d and O 2p resulting from Ni 3d electron localization mediated by charge loss. The transition seems neither purely Mott-Hubbard nor simple charge transfer.

研究动机与目标

• 理解外延拉伸应变NdNiO3薄膜中金属-绝缘体转变（MIT）的电子机制。
• 确定MIT是否由电荷歧化、对称性破缺或其它电子重排所驱动。
• 研究Ni与Nd阳离子之间轨道占据和电荷转移在MIT中的作用。
• 阐明自旋-轨道耦合与晶体场效应在促进Nd 5d轨道参与MIT中的贡献。
• 明确绝缘能隙形成的本质——是莫特-哈伯德、电荷转移，还是混合机制。

提出的方法

• 在基底上外延生长拉伸应变的NdNiO3薄膜以引入晶格应变。
• 利用共振非弹性X射线散射（RIXS）探测MIT过程中Ni 3d轨道占据的变化。
• 在Nd L3边进行X射线吸收谱（XAS）测量，以分析Nd电荷占据的变化。
• 理论分析考虑了自旋-轨道耦合与晶体场分裂在拆简并Nd 5d态能级中的作用。
• 评估Ni 3d、O 2p与Nd 5d轨道之间的轨道杂化，以解释电子重分布。
• 通过温度依赖性分析MIT，将电子变化与绝缘能隙形成相关联。

实验结果

研究问题

• RQ1 应变NdNiO3中的MIT是否涉及Ni电荷歧化或对称性破缺？
• RQ2 轨道占据重分布在此MIT中的作用是什么？
• RQ3 自旋-轨道耦合与晶体场效应如何使Nd 5d态参与MIT？
• RQ4 绝缘能隙是通过莫特-哈伯德还是电荷转移机制形成的？
• RQ5 MIT过程中Ni与Nd阳离子之间的电子转移本质是什么？

主要发现

• 通过共振非弹性X射线散射，在MIT温度以下直接观测到Ni $d_{x^2-y^2}$轨道占据数减少。
• 在Nd L3边测得Nd电荷占据数增加，表明电子从Ni向Nd转移。
• 由于自旋-轨道耦合与晶体场效应，Nd 5d $e_g$轨道向费米能级移动，使其能够作为受主。
• 绝缘能隙的形成源于Ni 3d电子在电荷损失后局域化，导致Ni 3d与O 2p能带之间形成能隙。
• MIT既非纯粹的莫特-哈伯德机制，也非简单的电荷转移，而是由涉及Nd 5d参与的新颖电子重分布所驱动。
• 该转变由应变状态下Ni $d_{x^2-y^2}$与O 2p轨道之间增强的杂化所介导，其跃迁积分增加。