[論文レビュー] Synthesis and Characterization of Ca-Substituted Infinite-Layer Nickelate Crystals

Pascal Puphal, Yu‐Mi Wu+10 more|arXiv (Cornell University)|Jun 24, 2021

Chemical and Physical Properties of Materials参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、高圧合成およびトポタクティック酸素還元を用いて、カドミウム置換無限層ニッケレートの高品質な単結晶を合成した。得られた結晶は金属的電気伝導性を示し、穴ドープされた薄膜と類似した電子構造を示し、重度にドープされた系における超伝導性の調査に適したマクロな単結晶を実現した。

ABSTRACT

Rare-earth nickelates with the infinite-layer crystal structure have been synthesized in thin film and powder form via topotactic oxygen reduction of the perovskite phase. The infinite-layer phase exhibits remarkable properties, such as superconductivity and magnetic excitations with extraordinarily large bandwidth. Yet, superconductivity was exclusively reported for infinite-layer nickelate films, while polycrystalline powder samples of similar composition were insulating at all measured temperatures. Here, a high-pressure method was used to synthesize high-quality single crystals of the perovskite nickelate La$_{1-x}$Ca$_{x}$NiO$_3$ that were subsequently reduced to the infinite-layer phase La$_{1-x}$Ca$_{x}$NiO$_{2+\delta}$. The obtained samples were characterized by X-ray diffraction, electron microscopy, Raman spectroscopy, magnetometry, and electrical transport measurements. Notably, the metal-like electrical conductivity of the infinite-layer crystals is reminiscent of weakly hole-doped infinite-layer thin films. Moreover, local electron energy-loss spectroscopy reveals close similarities between the electronic structures of the crystals and thin films. This work demonstrates the realization of infinite-layer nickelate crystals with macroscopic size as well as superior crystalline quality, and paves the way for future studies exploring whether more heavily Ca-substituted crystals host superconductivity in analogy to sufficiently hole-doped films.

研究の動機と目的

• 無限層ニッケレートのマクロな単結晶が不足しているため、その電子的性質を系統的に研究するための課題を克服すること。
• 穴ドープされた薄膜と同様に、カドミウム置換無限層ニッケレートが超伝導性を示すかどうかを調査すること。
• 高品質なペロブスカイト前駆体結晶を高圧合成で得た後、トポタクティック還元によって無限層相に変換する合成経路を確立すること。
• 高度な分光および構造解析手法を用いて、単結晶と薄膜の電子構造および輸送特性を比較すること。

提案手法

• ペロブスカイト相 La₁₋ₓCaₓNiO₃ の単結晶成長に、高圧固体状態合成法を用いた。
• トポタクティック酸素還元を適用し、ペロブスカイト相を無限層相 La₁₋ₓCaₓNiO₂₊δ に変換したが、結晶構造は保持された。
• X線回折および電子顕微鏡法を用いて相純度および結晶性の確認を行った。
• ラマン分光法により結晶構造の振動的特徴を評価した。
• 磁化測定および電気伝導測定により、磁気的および電子的挙動を評価した。
• 局所的電子エネルギー損失分光法（EELS）を用いて、結晶と薄膜間の電子構造を比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高圧法を用いて、カドミウム置換無限層ニッケレートの高品質な単結晶を合成できるか？
• RQ2 これらの単結晶は、穴ドープされた無限層薄膜と同様に金属的電気伝導性を示すか？
• RQ3 合成された結晶の電子構造は、エpitaxial薄膜とどのように比較できるか？
• RQ4 重度にカドミウムドープされた無限層ニッケレート結晶に、薄膜と同様に超伝導性の兆候が見られるか？
• RQ5 これらの材料の結晶性およびマクロなサイズは、将来の非局所的超伝導性の研究を可能にするか？

主な発見

• 高圧下で、ペロブスカイト相 La₁₋ₓCaₓNiO₃ の高品質な単結晶が合成に成功した。
• トポタクティック酸素還元により、相純度の高い無限層結晶 La₁₋ₓCaₓNiO₂₊δ が得られ、優れた結晶性を示した。
• 電気伝導測定により、無限層結晶に金属的伝導性が確認され、弱い穴ドープ薄膜と類似していた。
• 局所的電子エネルギー損失分光法により、単結晶とエpitaxial薄膜との間で電子構造に類似性が確認された。
• 合成された試料のマクロなサイズおよび優れた結晶性により、将来的に電子的性質、特に超伝導性の研究が可能になった。
• 結果から、より重度にカドミウム置換された結晶が、十分に穴ドープされた薄膜と同様に超伝導性を示す可能性があると考えられる。