Heteroepitaxial Control of Fermi Liquid, Hund Metal, and Mott Insulator Phases in Single-Atomic-Layer Ruthenates 

계면 효과를 이용하여 산화물 박막을 제어하는 것은 차세대 소자로의 응용 가능성 때문에 많은 관심을 받아왔다. 특히, 계면에서의 전자 구조가 어떻게 변화하고 제어되는 가는 오랫동안 중요한 의문으로 남아 있었는데, 이는 계면 효과는 계면 근처의 아주 얇은 영역에서 일어나 계면의 전자 구조를 측정할 적절한 방법이 없었기 때문이다. 본 연구에서는 각도분해 광전자 분광법의 표면 민감성 및 특이 이종 접합 구조를 이용하여 단원자층의 SrRuO₃의 상과 금속성을 제어할 수 있다는 것을 실험적으로 규명하였다. 이러한 발견을 통해 계면 효과를 이용한 전자 구조 제어에 대한 많은 연구를 촉발할 수 있을 것으로 기대된다.

Interfaces between dissimilar correlated oxides can offer devices with versatile functionalities, and great efforts have been made to manipulate interfacial electronic phases. However, realizing such phases is often hampered by the inability to directly access the electronic structure information; most correlated interfacial phenomena appear within a few atomic layers from the interface. Here, atomic-scale epitaxy and photoemission spectroscopy are utilized to realize the interface control of correlated electronic phases in atomic-scale ruthenate–titanate heterostructures. While bulk SrRuO₃ is a ferromagnetic metal, the heterointerfaces exclusively generate three distinct correlated phases in the single-atomic-layer limit. The theoretical analysis reveals that atomic-scale structural proximity effects yield Fermi liquid, Hund metal, and Mott insulator phases in the quantum-confined SrRuO₃. These results highlight the extensive interfacial tunability of electronic phases, hitherto hidden in the atomically thin correlated heterostructure. Moreover, this experimental platform suggests a way to control interfacial electronic phases of various correlated materials.

Authors: Jeong Rae Kim^# (서울대, IBS CCES), Byungmin Sohn^# (서울대, IBS CCES), Hyeong Jun Lee^#, Sangmin Lee, Eun Kyo Ko,  Sungsoo Hahn,  Sangjae Lee, Younsik Kim, Donghan Kim,  Hong Joon Kim, Youngdo Kim,  Jaeseok Son, Charles H. Ahn, Frederick J. Walker, Ara Go, Miyoung Kim, Choong H. Kim^* (서울대, IBS CCES),  Changyoung Kim^* (서울대, IBS CCES), and Tae Won Noh^* (서울대, IBS CCES)

Publication date: 05 February 2023

Link: https://doi.org/10.1002/adma.202208833