[논문 리뷰] Design and synthesis of three-dimensional hybrid Ruddlesden-Popper nickelate single crystals

Feiyu Li, Ning Guo외 9명|arXiv (Cornell University)|2023. 12. 13.

Iron-based superconductors research참고 문헌 41인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 라운드스던-팝퍼 니켈레이트 단일결정에서 교차하는 La₂NiO₄ (n=1) 및 La₃Ni₂O₇ (n=2) 층을 포함하는 3차원 하이브리드 구조를 처음으로 합성하여, 새로운 A_{n+1}B_nX_{3n+1}A'_{m+1}B'_mX'_{3m+1} 구조를 확립한다. XRD 및 STEM 분석은 정방형 Immm (No. 71) 구조를 확인하였으며, 단일 및 이중 층 NiO₆의 교차 배열이 이루어져 있음을 입증한다. 저항도 측정 결과 140 K 근처에서 특이한 절연체-금속 전이가 관찰되었으며, DFT 계산을 통해 단일 층에서 전하 이동에 의해 금속적 행동이 유도됨을 확인하였다.

ABSTRACT

Advancement of technologies relies on discovery of new materials with emerging physical properties that are determined by their crystal structures. Ruddlesden-Popper (R-P) phases with formula of $A_{n+1}$$B_n$$X_{3n+1}$ (n=1,2,3...) are among one of the most widely studied class of materials due to their electrical, optical, magnetic, thermal properties and their combined multifunctional properties(Ref.1-6). In R-P phases, intergrowth is well-known in the short range(Ref.7-9); however, no existing compounds have been reported to have different n mixed in bulk single crystals. Here we design a hybrid R-P nickelate $La_2NiO_4$$La_3Ni_2O_7$ by alternatively stacking bilayers, which is the active structural motif in the newly discovery high-$T_c$ superconductor $La_3Ni_2O_7$ and single layers of the antiferromagnetic insulator $La_2NiO_4$. We report the successful synthesis of $La_2NiO_4$$La_3Ni_2O_7$ single crystals, and X-ray diffraction and real-space imaging vis STEM show that the crystal structure consists of single layers and bilayers of $NiO_6$ octahedral stacking alternatively perpendicular to the ab plane, characterized by the orthorhombic Immm (No.71) space group. Resistivity measurements indicate a peculiar insulator-to-metal transition around 140 K on cooling. Correlated density functional theory calculations corroborate this finding, and reveal that the single layer becomes paramagnetic metallic due to charge transfer via LaO layers. The discovery of $La_2NiO_4$$La_3Ni_2O_7$ opens a door to access a completely new family of 3D hybrid R-P phases with the formula of $A_{n+1}$$B_n$$X_{3n+1}$$A'_{m+1}$$B'_m$$X'_{3m+1}$ which potentially host a plethora of emerging physical properties for various applications.

연구 동기 및 목표

• 단일 결정 내에서 교차하는 n=1 및 n=2 상을 포함하는 3차원 하이브리드 라운드스던-팝퍼 니켈레이트를 설계하고 합성하는 것.
• 기존의 다공성 R-P 상에서의 상혼합 문제를 해결하기 위해, 단일 결정 내에서 서로 다른 n-값을 제어적으로 배열하는 것.
• 특히 단일 층과 이중 층 NiO₆ 단위 간의 상호작용에 기인한 새로운 전자적 성질을 탐구하는 것.
• 다양한 기능을 가질 잠재적 응용 분야를 고려할 수 있는 새로운 3D 하이브리드 R-P 상의 클래스를 확립하는 것.

제안 방법

• 고온 초전도체 및 반자성 절연체 상의 구조적 모티프를 활용하여, La₂NiO₄ (n=1) 및 La₃Ni₂O₇ (n=2) 층을 교차 배치하는 하이브리드 R-P 상의 설계.
• 단일 상의 하이브리드 구조를 안정화하기 위해 산소 압력을 제어한 고체상 반응 합성.
• 실공간에서의 X선 회절(XRD) 및 스캐닝 투과형 전자현미경(STEM)을 이용한 결정 구조 및 층 배열 확인.
• 온도에 따른 저항도 측정을 통해 전자적 전이를 탐구하는 것.
• 전자 구조 및 전하 이동 메커니즘 분석을 위한 밀도함수이론(DFT) 계산.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 결정 내에서 교차하는 n=1 및 n=2 층을 포함하는 3차원 하이브리드 라운드스던-팝퍼 니켈레이트를 합성할 수 있는가?
• RQ2 이 하이브리드 R-P 상의 결정 구조와 대칭성은 무엇이며, 층 배열은 어떻게 정렬되어 있는가?
• RQ3 이 하이브리드 구조는 새로운 전자적 전이를 나타내는가? 만약 그렇다면 그 기원은 무엇인가?
• RQ4 층 간 전하 이동이 단일 층 성분의 전자 상태에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• La₂NiO₄La₃Ni₂O₇로 구성된 하이브리드 R-P 니켈레이트는 단일 결정으로 성공적으로 합성되었으며, 단일 및 이중 층 NiO₆ 단위가 교차 배열되어 있다.
• XRD 및 STEM 분석을 통해 결정 구조는 ab 평면에 수직한 방향으로 잘 정렬된 층 배열을 보이며, 정방형 Immm (No. 71) 공간군에 속한다.
• 저항도 측정 결과 냉각 과정에서 140 K 근처에서 뚜렷한 절연체-금속 전이가 관찰되어 상호작용에 기인한 전자적 전이임을 시사한다.
• DFT 계산 결과, 중간에 있는 LaO 층을 통해 전하 이동이 발생하여 단일 층 성분이 반자성 및 금속적 성질을 띠게 된다.
• 본 연구는 일반식 A_{n+1}B_nX_{3n+1}A'_{m+1}B'_mX'_{3m+1}을 가진 새로운 3D 하이브리드 R-P 상의 가족을 확립하였으며, 새로운 양자현상 탐구의 길을 열었다.