[논문 리뷰] Absence of superconductivity in bulk Nd1-xSrxNiO2 (x = 0.2, 0.4)

Qing Li, Chengping He외 4명|arXiv (Cornell University)|2019. 11. 06.

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 삼단계 방법을 사용하여 부피상의 Nd1-xSrxNiO2 (x = 0.2, 0.4)를 합성하고, 초전도성과 유사한 구조적 특성을 지니고 있음에도 불구하고 초전도성 없음을 발견하였다. 전기적 저항 및 자성 측정은 절연체 거동과 파라자성 모멘트를 확인하였고, 고압 연구에서는 절연체 성질이 억제되나 초전도성은 유도되지 않았으며, 이는 초전도성 필름의 기원이 부피상의 Ni2+ 3d9 상태가 아니라 표면 또는 기계적 스트레인 효과일 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

Recently superconductivity at 9 - 15 K was discovered in an infinite-layer nickelate (Nd$_{0.8}$Sr$_{0.2}$NiO$_2$ films), which has received enormous attention. Since the $Ni^{1+}$ ionic state in NdNiO$_2$ may have the $3d^9$ outer-shell electronic orbit which resembles that of the cuprates, it is very curious to know whether superconductivity discovered here has similar mechanism as that in the cuprates. By using a three-step method, we successfully synthesize the bulk samples of Nd$_{1-x}$Sr$_x$NiO$_2$ (x=0, 0.2, 0.4). The X-ray diffractions reveal that all the samples contain mainly the infinite layer phase of 112 with some amount of segregated Ni. This has also been well proved by the SEM image and the EDS composition analysis. The resistive measurements on the Sr doped samples show insulating behavior without the presence of superconductivity. Temperature dependence of the magnetic moment under high magnetic fields exhibits a Curie-Weiss law feature with the paramagnetic moment of about 2$\mu_B$/f.u.. By applying pressure on Nd$_{0.8}$Sr$_{0.2}$NiO$_2$ up to about 50.2 GPa, we find that the strong insulating behavior at ambient pressure is significantly suppressed, but superconductivity has not been observed either. Since the lattice constants derived from our XRD data are very close to those of the reported superconducting films, we argue that the superconductivity in the reported film may not originate from the expected Nd$_{0.8}$Sr$_{0.2}$NiO$_2$, but arise from the interface or the stress effect.

연구 동기 및 목표

• 최근 보고된 무한층 니켈산화물 필름과 유사하게 부피상의 Nd1-xSrxNiO2 (x = 0.2, 0.4)가 초전도성을 나타내는지 조사하기 위해.
• 필름에서의 초전도 메커니즘이 NdNiO2 상의 본질적인 성질인지, 또는 스트레인이나 인터페이스와 같은 외부 요인에 의해 영향을 받는지 확인하기 위해.
• 전기적 및 자성 성질을 전기 저항, 자화율 측정 및 고압 측정을 통해 부위상의 Nd1-xSrxNiO2의 성질을 분석하기 위해.
• 부위상 샘플과 초전도 필름 간의 격자 상수 및 상 순도를 비교하여 구조적 일致성을 평가하기 위해.

제안 방법

• 상태 합성 방법을 사용하여 상 순도가 높은 부위상의 Nd1-xSrxNiO2 (x = 0.2, 0.4) 샘플을 제조하였다.
• X선 회절(XRD)을 수행하여 무한층 112 상 존재 여부를 확인하고 니켈 농축 상의 존재 여부를 탐지하였다.
• 주사전자현미경(SEM) 및 에너지 분산형 X선 분석(EDS)을 수행하여 상 조성과 미세 구조를 확인하였다.
• 온도에 따른 전기 저항 측정을 통해 금속성 또는 초전도성 거동을 탐색하였다.
• 고자기장 하에서 온도 의존성 자화율 측정을 수행하여 파라자성 거동과 투자-우스 특성을 평가하였다.
• 수압을 약 ~50.2 GPa까지 적용하여 부위상 Nd0.8Sr0.2NiO2에서 초전도성 유도 여부를 시험하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 부위상의 Nd1-xSrxNiO2 (x = 0.2, 0.4)는 최근 보고된 초전도 필름과 유사하게 초전도성을 나타내는가?
• RQ2 부위상의 Nd1-xSrxNiO2 전자적 성질은 특히 격자 상수와 상 순도 측면에서 초전도 필름과 일치하는가?
• RQ3 고압을 적용하면 대기압 조건에서 관찰된 절연체 거동이 억제되고 초전도성이 유도되는가?
• RQ4 보고된 필름에서의 초전도성은 부위상의 Ni2+ 3d9 상태가 아닌 외부 요인(예: 스트레인 또는 인터페이스 결합)에 기인한 것일 수 있는가?

주요 결과

• 부위상의 Nd1-xSrxNiO2 (x = 0.2, 0.4)는 2 K까지 초전도성의 증거 없이 절연체 저항 거동을 보였다.
• XRD, SEM 및 EDS 분석을 통해 무한층 112 상이 존재하고 소량의 니켈 농축 상이 존재하는 것으로 확인되었다.
• 고자기장 하에서의 자화율 측정 결과는 파라자성 모멘트 약 2 μB/f.u.를 보이며, Curie-Weiss 법칙을 따르며 국소화된 자성 모멘트를 나타낸다.
• 고압 연구에서 부위상 Nd0.8Sr0.2NiO2의 절연체 거동은 약 ~50.2 GPa까지 억제되었으나, 초전도성은 나타나지 않았다.
• XRD로부터 유도된 격자 상수는 초전도 필름과 매우 유사하여 구조적 유사성은 확인되었지만, 이는 부위상 초전도성의 유도에는 충분하지 않았다.
• 부위상 샘플에서의 초전도성 부재는 필름에서의 초전도성이 부위상의 특성보다는 표면 공학 또는 스트레인 효과와 같은 비부위상적 요인에 기인했을 가능성을 시사한다.