[논문 리뷰] Observation of perfect diamagnetism and interfacial effect on the electronic structures in Nd0.8Sr0.2NiO2 superconducting infinite layers

Shengwei Zeng, Xinmao Yin외 14명|arXiv (Cornell University)|2021. 04. 29.

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials참고 문헌 21인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 고질적 Nd0.8Sr0.2NiO2 박막에서 완전한 반자성을 입증하여 부피 초전도성을 확인하였으며, 초박막 박막(<5.5 nm)에서 표면 및 응력 효과로 인해 두께에 따라 변화하는 전자 유형의 밴드 구조를 드러냈다. X선 흡수 분광법과 밴드 구조 계산을 통해 더 얇은 박막에서 증가한 Ni-O 혼성화를 관찰하여, 지속적인 음성 홀 계수와 표면에서의 초전도성 발생을 설명하였다.

ABSTRACT

Nickel-based complex oxides have served as a playground for decades in the quest for a copper-oxide analog of the high-temperature superconductivity. They may provide clues towards understanding the mechanism and an alternative route for high-temperature superconductors. The recent discovery of superconductivity in the infinite-layer nickelate thin films has fulfilled this pursuit. However, material synthesis remains challenging, direct demonstration of perfect diamagnetism is still missing, and understanding of the role of the interface and bulk to the superconducting properties is still lacking. Here, we show high-quality Nd0.8Sr0.2NiO2 thin films with different thicknesses and demonstrate the interface and strain effects on the electrical, magnetic and optical properties. Perfect diamagnetism is achieved, confirming the occurrence of superconductivity in the films. Unlike the thick films in which the normal-state Hall-coefficient changes signs as the temperature decreases, the Hall-coefficient of films thinner than 5.5 nm remains negative, suggesting a thickness-driven band structure modification. Moreover, X-ray absorption spectroscopy reveals the Ni-O hybridization nature in doped infinite-layer nickelates, and the hybridization is enhanced as the thickness decreases. Consistent with band structure calculations on the nickelate/SrTiO3 heterostructure, the interface and strain effect induce a dominating electron-like band in the ultrathin film, thus causing the sign-change of the Hall-coefficient.

연구 동기 및 목표

• 직접적인 완전한 반자성 관측을 통해 Nd0.8Sr0.2NiO2 무한층 박막에서의 초전도성을 확인하기.
• 박막 두께와 표면 효과가 전자적 및 전송 성질에 미치는 영향을 조사하기.
• 두꺼운 박막에서는 홀 계수의 부호가 바뀌는 데 비해 초박막 박막에서는 지속적으로 음성인 이유를 이해하기.
• X선 흡수 분광법을 활용해 Ni-O 혼성화를 통해 전자 구조의 진화를 탐색하기.

제안 방법

• 펄스 레이저 증착을 이용해 SrTiO3 기판 위에 두께가 다른 고질적 Nd0.8Sr0.2NiO2 박막을 성장시키기.
• SQUID 자화도 측정을 통해 자성 반응을 측정하여 완전한 반자성을 탐지하기.
• 현장에서의 X선 흡수 분광법을 통해 Ni 2p 및 O K-edge 스펙트럼을 분석하고 Ni-O 혼성화 성질을 추출하기.
• 홀 효과 측정을 통해 온도 및 박막 두께에 따른 실체적 타입과 농도를 추적하기.
• NiO/SrTiO3 이종구조에 대한 밀도함수이론 계산을 통해 표면 밴드 구조와 응력 효과를 모델링하기.
• 실험 데이터와 이론 모델을 연계하여 초박막 박막에서 전자 유형의 밴드가 지배적인 이유를 설명하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Nd0.8Sr0.2NiO2는 완전한 반자성을 나타내며, 이는 본질적 초전도성의 확인을 의미하는가?
• RQ2 박막 두께는 Nd0.8Sr0.2NiO2에서 홀 계수와 실체적 타입에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 표면 응력과 Ni-O 혼성화는 초박막 니켈산염 박막의 전자 구조를 어떻게 수정하는가?
• RQ4 왜 5.5 nm 이하의 박막에서는 두꺼운 박막과 달리 홀 계수가 항상 음성인가?
• RQ5 무한층 니켈산염에서 표면 효과가 전자적 성질을 얼마나 지배하는가?

주요 결과

• 완전한 반자성이 Nd0.8Sr0.2NiO2 박막에서 관측되어 초전도성 발생이 확인되었다.
• 5.5 nm 이하의 박막에서 홀 계수는 여전히 음성으로 유지되어 전자 유형의 실체적 특성이 지속됨을 나타낸다.
• X선 흡수 분광법을 통해 더 얇은 박막에서 증가한 Ni-O 혼성화를 관찰하였으며, 이는 공유성 증가와 관련이 있다.
• 밴드 구조 계산 결과 표면 응력이 초박막 박막에서 전자 유형의 주요 밴드를 유도함을 보여주었다.
• 두께에 따라 변화하는 밴드 구조의 변화가 초박막 박막에서 홀 계수의 부호 반전 없음을 설명한다.
• 표면 및 응력 효과가 초박막 Nd0.8Sr0.2NiO2에서 전자 유형의 특성 유지와 초전도성 유도에 핵심적인 역할을 한다.