[论文解读] Observation of microscopic domain effects in the metal-insulator transition of thin-film NdNiO$_3$

Lucy S. Nathwani, Anne Ruperto+9 more|arXiv (Cornell University)|Mar 22, 2026

Thermal properties of materials被引用 0

一句话总结

该研究在57.5 nm NdNiO3薄膜上使用频域热反射和光致反射揭示域介导的各向异性传输穿越金属–绝缘体转变，且与面内相比层外滞后减小，并存在明显的两性扩散系数变化。

ABSTRACT

Perovskite oxides display correlated electrical, magnetic, and thermal properties that can be further tuned in the thin-film limit, making them contenders for next-generation electronics. Measuring thermal transport in thin films is challenging, because traditional techniques are dominated by the substrate. Here, frequency-domain thermoreflectance (FDTR) of an epitaxial NdNiO$_3$ thin film reveals a sharp change in out-of-plane thermal conductivity across the metal-insulator transition. Complementary frequency-domain photoreflectance (FDPR) reveals a large change in ambipolar diffusivity of photoexcited carriers. While the in-plane electrical resistance shows large hysteresis, out-of-plane thermal and charge transport shows negligible hysteresis. We attribute this discrepancy to anisotropy in the percolation of nanoscale domains across the transition as the film thickness approaches the domain length scale. We establish FDTR and FDPR as sensitive probes of quantum material phase transitions and highlight NdNiO$_3$ for thermal control and memory applications.

研究动机与目标

• 将NdNiO3薄膜作为温度驱动金属–绝缘体转变的可调平台用于电子学应用的动机。
• 研究沿跨层（层外）的热传输在NdNiO3外延薄膜中的MIT穿越。
• 利用FDPR探测MIT跨域载流子扩散以关联电子与热传输。
• 理解纳米尺度域结构和薄膜厚度如何影响宏观传输滞后。

提出的方法

• 使用频域热反射（FDTR）结合金薄膜换能器测量57.5 nm NdNiO3薄膜在LaAlO3基底上的层外热导率κ⊥。
• 在相邻的裸区使用频域光致反射（FDPR）提取MIT跨越的两性扩散系数Da。
• 用傅里叶热传导模型拟合FDTR数据以提取κ⊥和热边界传导性GFS；从独立的LaAlO3 FDTR测量中固定基底属性。
• 将FDPR信号建模为载流子与热扩散问题；固定载流子振幅Aρ与复合时间τ以稳健提取Da和GFS。
• 使用源自NdNiO3块体数据的Debye模型固定薄膜比热以稳定κ⊥拟合。
• 比较冷却与加热循环以评估滞后并从热与电子代理变量中识别Tswitch。

Figure 1: (a) Distorted perovskite structure of NdNiO 3 in the insulating phase. (b) The structure in the metallic phase. The changes in octahedral tilts drive the transition 8 . (c) Temperature-dependent resistance capturing the MIT (see SI). $T_{\mathrm{MIT}}$ is 91 K during cooling and 124 K duri

实验结果

研究问题

• RQ1 NdNiO3薄膜在MIT跨越时层外热导率的行为如何？
• RQ2 在MIT跨越中两性扩散系数如何演化，以及它与热传输的耦合关系？
• RQ3 薄膜几何形状与域尺寸在跨层传输的滞后与渗透中有多大影响？
• RQ4 FDTR与FDPR是否能共同分辨NdNiO3在MIT过程中的纳米尺度域动力学？

主要发现

• NdNiO3的层外热导率κ⊥在冷却过程中的123.3 K至110.0 K之间下降了33%（热开关）。
• 加热与冷却曲线显示κ⊥的滞后较弱，表明在层外传输相对于层内测量呈现各向异性。
• 通过FDPR测得的两性扩散系数Da在MIT跨越时从120 K迅速下降至110 K，且滞后弱于电传输。
• 通过FDTR/FDPR拟合确定切换温度Tswitch为115 ± 4 K。
• 薄膜厚度约57.5 nm与推断的域尺度（横向100–300 nm；域在层外实现渗透连接）相当，解释了由于垂直渗透受限而导致的层外滞后减小。
• 更薄的NdNiO3薄膜（20.6 nm）也显示出类似的层外滞后缺失，表明该效应对厚度的适度变化具有鲁棒性。

Figure 2: (a) Schematic of an integrated frequency-domain thermoreflectance (FDTR) and frequency-domain photoreflectance (FDPR) measurement setup. A continuous wave (CW) pump laser at 458 nm, power-modulated at a frequency $\omega/2\pi$ , excites the sample. A CW probe laser at 532 nm reads out the