[论文解读] Tunable Charge and Spin Order in PrNiO$_3$ Thin Films and Superlattices

Matthias Hepting, M. Minola+11 more|HZB Repository (Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH (HZB))|Oct 30, 2014

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials被引用 7

一句话总结

本研究利用共聚焦偏振拉曼光谱和共振X射线散射，证明在PrNiO₃薄膜和超晶格中，外延应变与空间限域可调控电荷序与自旋序。研究证实了理论预测的自旋密度波相作为主要序参量，而电荷序则为次级、对称性依赖的现象，揭示了在拉伸应变与压缩应变下存在截然不同的电子态。

ABSTRACT

We have used polarized Raman scattering to probe lattice vibrations and charge ordering in 12 nm thick, epitaxially strained PrNiO$_3$ films, and in superlattices of PrNiO$_3$ with the band-insulator PrAlO$_3$. A carefully adjusted confocal geometry was used to eliminate the substrate contribution to the Raman spectra. In films and superlattices under tensile strain, which undergo a metal-insulator transition upon cooling, the Raman spectra reveal phonon modes characteristic of charge ordering. These anomalous phonons do not appear in compressively strained films, which remain metallic at all temperatures. For superlattices under compressive strain, the Raman spectra show no evidence of anomalous phonons indicative of charge ordering, while complementary resonant x-ray scattering experiments reveal antiferromagnetic order associated with a modest increase in resistivity upon cooling. This confirms theoretical predictions of a spin density wave phase driven by spatial confinement of the conduction electrons.

研究动机与目标

• 研究外延应变与空间限域如何调控PrNiO₃薄膜和超晶格中的电荷序与自旋序。
• 解决镍氧化物中电荷序是否在自旋密度波形成之前或之后的长期争议。
• 开发一种从基底贡献中分离弱声子异常的拉曼光谱方法。
• 建立声子异常与关联氧化物异质结构中金属-绝缘体转变之间的直接关联。
• 为理论模型提供实验验证，这些模型预测自旋密度波驱动的二维关联电子系统中的电子相。

提出的方法

• 采用共聚焦几何结构与偏振632.8 nm激光激发，以抑制基底拉曼背景，分离12 nm厚PrNiO₃薄膜和PrNiO₃/PrAlO₃超晶格的信号。
• 在Ni L₃边使用共振X射线散射，通过(1/4, 1/4, 1/4)布拉格反射强度检测非共线反铁磁序。
• 进行温度依赖性拉曼光谱，识别与电荷序相关的异常声子模式，尤其在拉伸应变样品中。
• 通过van-der-Pauw方法测量电阻率，关联电子输运与结构及电子相变。
• 利用硬X射线进行倒空间映射，确认薄膜和超晶格中完全的外延应变。
• 对比在LSAT上生长的拉伸应变样品与在LSAO上生长的压缩应变样品，以分离应变与限域的作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 外延应变是否在PrNiO₃薄膜和超晶格中诱导或抑制电荷序？
• RQ2 在这些体系中，电荷序相对于自旋密度波形成而言，是主要还是次要序参量？
• RQ3 共聚焦拉曼光谱能否检测到超薄、应变氧化物异质结构中与电荷序相关的声子异常？
• RQ4 超晶格中的空间限域如何影响电荷序与自旋序的稳定性和对称性？
• RQ5 理论预测的自旋密度波驱动相变在实验实现的二维关联系统中在多大程度上成立？

主要发现

• 在拉伸应变的PrNiO₃薄膜和超晶格中，375 cm⁻¹（A_g）和445 cm⁻¹（B_1g）的异常声子模式出现，且与金属-绝缘体转变温度T_MIT一致。
• 这些异常模式在压缩应变样品中完全缺失，表明在压缩应变下无显著电荷调制。
• 共振X射线散射证实，尽管电荷序不同，拉伸应变和压缩应变的超晶格中均存在相同的非共线反铁磁序。
• 压缩应变超晶格中的电荷序幅度显著被抑制，而自旋序保持稳定，证实自旋密度波为首要序参量。
• 超晶格中的B_1g声子模式能量比自由外延薄膜高出约20 cm⁻¹，且展宽更明显，表明应变与限域对电子-声子耦合的影响。
• 未发现电荷序“自旋液体”态的证据，且磁序的超热化在更宽的温度范围内持续存在，表明两种序参量存在解耦。