Interplay Between Electron Correlations, Magnetic State, and Structural Confinement in LaNiO3 Ultrathin Films

封面

如何引用文章

全文:

开放存取 开放存取
受限制的访问 ##reader.subscriptionAccessGranted##
受限制的访问 订阅存取

详细

We report a theoretical study of the effects of electron correlations and structural confinement on the electronic properties and magnetic state of LaNiO3 (LNO) thin films epitaxially deposited on the (001)">(001) LaAlO3 (LAO) substrate. Using the DFT + U method we compute the electronic band structure, magnetic properties, and phase stability of the 1.5 unit-cell-thick NiO2-terminated LNO thin films. Our results reveal complex diversity of the electronic states caused by the effects of structural confinement, interfacial charge transfer and electronic correlations. Our calculations suggest the appearance of in-plane (110) charge disproportionation of the Ni ions in the interface NiO2 layer of the antiferromagnetically ordered LNO thin films. Moreover, the electronic states of both the antiferromagnetic and ferromagnetic LNO/LAO show a large orbital polarization of the Ni ions in the surface NiO2 layers. Our results suggest the crucial importance of oxygen defects to explain the metal-to-insulator phase transition experimentally observed in a few-unit-cell-thick LNO/LAO thin films.

作者简介

N. Vambol'd

Institute of Physics and Technology, Ural Federal University

Email: nikitavamb@gmail.com
620002, Yekaterinburg, Russia

G. Sazhaev

Institute of Physics and Technology, Ural Federal University

Email: nikitavamb@gmail.com
620002, Yekaterinburg, Russia

I. Leonov

Institute of Physics and Technology, Ural Federal University;Mikheev Institute of Metal Physics, Russian Academy of Sciences

编辑信件的主要联系方式.
Email: nikitavamb@gmail.com
620002, Yekaterinburg, Russia;620108, Yekaterinburg, Russia

参考

  1. M. Imada, A. Fujimori, and Y. Tokura, Rev. Mod. Phys. 70, 1039 (1998).
  2. D. Khomskii, Transition Metal Compounds, Cambridge University Press, Cambridge (2014).
  3. G. Catalan, Phase Transit. 81, 729 (2008).
  4. J.B. Torrance, P. Lacorre, A. I. Nazzal, E. J. Ansaldo, and Ch. Niedermayer, Phys. Rev. B 45, 8209 (1992).
  5. J. L. Garc'ia-Mu˜noz, J. Rodr'iguez-Carvajal, P. Lacorre, and J. B. Torrance, Phys. Rev. B 46, 4414 (1992).
  6. A.V. Boris, Y. Matiks, E. Benckiser et al. (Collaboration), Science 332, 937 (2011).
  7. H.Y. Hwang, Y. Iwasa, M. Kawasaki, B. Keimer, N. Nagaosa, and Y. Tokura, Nat. Mater. 11, 103 (2012).
  8. S. Middey, J. Chakhalian, P. Mahadevan, J.W. Freeland, A. J. Millis, and D.D. Sarma, Annu. Rev. Mater. Res. 46, 305 (2016).
  9. P.D.C. King, H. I. Wei, Y.F. Nie, M. Uchida, C. Adamo, S. Zhu, X. He, I. Boˇzovi'c, D.G. Schlom, and K.M. Shen, Nat. Nanotechnol. 9, 443 (2014).
  10. H. Chen and A. Millis, J. Phys.: Condens. Matter 29, 243001 (2017).
  11. S. Catalano, M. Gibert, J. Fowlie, J. 'Iniguez, J.-M. Triscone, and J. Kreisel, Rep. Prog. Phys. 81, 046501 (2018).
  12. M. Golalikhani, Q. Lei, R.U. Chandrasena et al. (Collaboration), Nat. Commun. 9, 2206 (2018).
  13. R. Scherwitzl, S. Gariglio, M. Gabay, P. Zubko, M. Gibert, and J.M. Triscone, Phys. Rev. Lett. 106, 246403 (2011).
  14. E. J. Moon, B.A. Gray, M. Kareev et al. (Collaboration), New J. Phys. 13, 073037 (2011).
  15. M. Wu, E. Benckiser, M.W. Haverkort et al. (Collaboration), Phys. Rev. B 88, 125124 (2013).
  16. J. Fowlie, M. Gibert, G. Tieri, A. Gloter, J. 'I niguez, A. Filippetti, S. Catalano, S. Gariglio, A. Schober, M. Guennou, J. Kreisel, O. St'e phan, and J. Triscone, Adv. Mater. 29, 1605197 (2017).
  17. M. Hepting, R. J. Green, Z. Zhong et al. (Collaboration), Nat. Phys. 14, 1097 (2018).
  18. I. Ardizzone, M. Zingl, J. Teyssier, H.U.R. Strand, O. Peil, J. Fowlie, A.B. Georgescu, S. Catalano, N. Bachar, A.B. Kuzmenko, M. Gibert, J.-M. Triscone, A. Georges, and D. van der Marel, Phys. Rev. B 102, 155148 (2020).
  19. Q. Guo, S. Farokhipoor, C. Mag'en, F. Rivadulla, and B. Noheda, Nat. Commun. 11, 2949 (2020).
  20. P. Hansmann, X. Yang, A. Toschi, G. Khaliullin, O.K. Andersen, and K. Held, Phys. Rev. Lett. 103, 016401 (2009).
  21. A. Blanca-Romero and R. Pentcheva, Phys. Rev. B 84, 195450 (2011).
  22. D. Doennig, W.E. Pickett, and R. Pentcheva, Phys. Rev. B 89, 121110(R) (2014).
  23. S. Middey, D. Meyers, D. Doennig, M. Kareev, X. Liu, Y. Cao, Zh. Yang, J. Shi, L. Gu, P. J. Ryan, R. Pentcheva, J.W. Freeland, and J. Chakhalian, Phys. Rev. Lett. 116, 056801 (2016).
  24. B. Geisler, A. Blanca-Romero, and R. Pentcheva, Phys. Rev. B 95, 125301 (2017).
  25. B. Geisler and R. Pentcheva, Phys. Rev. Materials 2, 055403 (2018).
  26. B. Geisler and R. Pentcheva, Phys. Rev. B 102, 020502(R) (2020).
  27. B. Geisler, S. Follmann, and R. Pentcheva, Phys. Rev. B 106, 155139 (2022).
  28. B. Lau and A. J. Millis, Phys. Rev. Lett. 110, 126404 (2013).
  29. H. Lau, A. J. Millis, and C.A. Marianetti, Phys. Rev. B 93, 235109 (2016).
  30. X. Liao and H. Park, Phys. Rev. Mater. 7, 015002 (2023).
  31. O.E. Lau, M. Ferrero, and A. Georges, Phys. Rev. B 90, 045128 (2014).
  32. A.B. Georgescu, O.E. Peil, A. S. Disa, A. Georges, and A. J. Millis, Proc. Natl. Acad. Sci. 116, 14434 (2019).
  33. J. Ruppen, J. Teyssier, O.E. Peil, S. Catalano, M. Gibert, J. Mravlje, J.-M. Triscone, A. Georges, and D. van der Marel, Phys. Rev. B 92, 155145 (2015).
  34. V. Bisogni, S. Catalano, R. J. Green, M. Gibert, R. Scherwitzl, Y. Huang, V.N. Strocov, P. Zubko, S. Balandeh, J.-M. Triscone, G. Sawatzky, and T. Schmitt, Nat. Commun. 7, 13017 (2016).
  35. H. Guo, Z.W. Li, L. Zhao, Z. Hu, C. F. Chang, C.-Y. Kuo, W. Schmidt, A. Piovano, T.W. Pi, O. Sobolev, D. I. Khomskii, L.H. Tjeng, and A.C. Komarek, Nat. Commun. 9, 43 (2018).
  36. H. Park, A. J. Millis, and C.A. Marianetti, Phys. Rev. Lett. 109, 156402 (2012).
  37. A. Subedi, O.E. Peil, and A. Georges, Phys. Rev. B 91, 075128 (2015).
  38. P. Seth, O.E. Peil, L. Pourovskii, M. Betzinger, C. Friedrich, O. Parcollet, S. Biermann, F. Aryasetiawan, and A. Georges, Phys. Rev. B 96, 205139 (2017).
  39. A. Hampel and C. Ederer, Phys. Rev. B 96, 165130 (2017).
  40. O.E. Peil, A. Hampel, C. Ederer, and A. Georges, Phys. Rev. B 99, 245127 (2019).
  41. A. Hampel, P. Liu, C. Franchini, and C. Ederer, npj Quant. Mater. 4, 5 (2019).
  42. K. Haule and G. L. Pascut, Sci. Rep. 7, 10375 (2017).
  43. X. Liau, V. Singh, and H. Park, Phys. Rev. B 103, 085110 (2021).
  44. I. I. Mazin, D. I. Khomskii, R. Lengsdorf, J.A. Alonso, W.G. Marshall, R.M. Ibberson, A. Podlesnyak, M. J. Mart'i nez-Lope, and M.M. Abd-Elmeguid, Phys. Rev. Lett. 98, 176406 (2007).
  45. S. Johnston, A. Mukherjee, I. Elfimov, M. Berciu, and G.A. Sawatzky, Phys. Rev. Lett. 112, 106404 (2014).
  46. M. Azuma, S. Carlsson, J. Rodgers, M.G. Tucker, M. Tsujimoto, S. Ishiwata, S. Isoda, Y. Shimakawa, M. Takano, and J.P. Attfield, J. Am. Chem. Soc. 129, 14433 (2007).
  47. I. Leonov, A. S. Belozerov, and S. L. Skornyakov, Phys. Rev. B 100, 161112(R) (2019).
  48. D. Li, K. Lee, B.Y. Wang, M. Osada, S. Crossley, H.R. Lee, Y. Cui, Y. Hikita, and H.Y. Hwang, Nature (London) 572, 624 (2019).
  49. M. Rossi, M. Osada, J. Choi et al. (Collaboration), Nat. Phys. 18, 869 (2022).
  50. C.C. Tam, J. Choi, X. Ding, S. Agrestini, A. Nag, M. Wu, B. Huang, H. Luo, P. Gao, M. Garc'ıa-Fern'andez, L. Qiao, and K.-J. Zhou, Nat. Mater. 21, 1116 (2022).
  51. G. Krieger, L. Martinelli, S. Zeng, L. E. Chow, K. Kummer, R. Arpaia, M. Moretti Sala, N.B. Brookes, A. Ariando, N. Viart, M. Salluzzo, G. Ghiringhelli, and D. Preziosi, Phys. Rev. Lett. 129, 027002 (2022).
  52. I. Leonov, S. L. Skornyakov, and S.Y. Savrasov, Phys. Rev. B 101, 241108(R) (2020).
  53. F. Lechermann, Phys. Rev. X 10, 041002 (2020).
  54. J. Karp, A. S. Botana, M.R. Norman, H. Park, M. Zingl, and A. Millis, Phys. Rev. X 10, 021061 (2020).
  55. J. Karp, A. Hampel, Ma. Zingl, A. S. Botana, H. Park, M.R. Norman, and A. J. Millis, Phys. Rev. B 102, 245130 (2020).
  56. I. Leonov, J. Alloys Compd. 883, 160888 (2021).
  57. A. S. Botana, F. Bernardini, and A. Cano, JETP 159, 711 (2021).
  58. K.G. Slobodchikov and I.V. Leonov, Phys. Rev. B 106, 165110 (2022).
  59. A. Kreisel, B.M. Andersen, A.T. Rømer, I.M. Eremin, and F. Lechermann, Phys. Rev. Lett. 129, 077002 (2022).
  60. M.A. Vysotin, I.A. Tarasov, A. S. Fedorov, S.N. Varnakov, and S.G. Ovchinnikov, Pis'ma v ZhETF 116, 318 (2022).
  61. V. I. Anisimov, J. Zaanen, and O.K. Andersen, Phys. Rev. B 44, 943 (1991).
  62. S. L. Dudarev, G.A. Botton, S.Y. Savrasov, C. J. Humphreys, and A.P. Sutton, Phys. Rev. B 57, 1505 (1998).
  63. J. P. Perdew, K. Burke, and M. Ernzerhof, Phys. Rev. Lett. 77, 3865 (1996).
  64. S. Baroni, S. de Gironcoli, A. Dal Corso, and P. Giannozzi, Rev. Mod. Phys. 73, 515 (2001).
  65. P. Giannozzi, S. Baroni, N. Bonini et al. (Collaboration), J. Phys.: Condens. Matter 21, 395502 (2009).
  66. L. Bengtsson, Phys. Rev. B 59, 12301 (1999).
  67. J. P. Attfield, Solid State Sciences 8 861 (2006).
  68. G.M. Dalpian, Q. Liu, J. Varignon, M. Bibes, and A. Zunger, Phys. Rev. B 98, 075135 (2018).
  69. N.B. Ivanova, S.G. Ovchinnikov, M.M. Korshunov, I.M. Eremin, and N.V. Kazak, Phys.-Uspekhi 52, 789 (2009).
  70. E. Greenberg, I. Leonov, S. Layek, Z. Konopkova, M. P. Pasternak, L. Dubrovinsky, R. Jeanloz, I.A. Abrikosov, and G.Kh. Rozenberg, Phys. Rev. X 8, 031059 (2018).
  71. S. Layek, E. Greenberg, S. Chariton, M. Bykov, E. Bykova, D.M. Trots, A.V. Kurnosov, I. Chuvashova, S.V. Ovsyannikov, I. Leonov, and G.Kh. Rozenberg, J. Am. Chem. Soc. 144, 10259 (2022).

补充文件

附件文件
动作
1. JATS XML
下载

版权所有 © Российская академия наук, 2023

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».