[논문 리뷰] Pressure-dependent "Insulator-Metal-Insulator" Behavior in Sr-doped La$_3$Ni$_2$O$_7$

Mingyu Xu, Shuyuan Huyan외 8명|arXiv (Cornell University)|2023. 12. 21.

High-pressure geophysics and materials인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 고압(20 GPa)과 고온(1400 °C) 조건에서 합성한 스트리아트 도핑된 La₃Ni₂O₇ 단일결정에서의 압력 유도 절연체-금속-절연체 전이를 조사한다. 단일결정 X선 회절 및 전기적 성질 측정을 통해 스트리아트 도핑이 니켈 이온의 산화 상태 비율(Ni²⁺/Ni³⁺)과 밴드 충만도를 변화시켜 10 GPa 이상에서 금속성 상태로 전이되며, 10.7 GPa를 초과하면 다시 절연성 행동이 나타남을 규명한다—이러한 행동은 원료 화합물과는 근본적으로 대조되며 니켈산염에서 초전도성 도달에 난관이 있음을 시사한다.

ABSTRACT

Recently, superconductivity at high temperatures has been observed in bulk La$_3$Ni$_2$O$_{7-δ}$ under high pressure. However, the attainment of high-purity La$_3$Ni$_2$O$_{7-δ}$ single crystals, exhibiting controlled and homogeneous stoichiometry through the post-annealing process in an oxygen-rich floating zone furnace, remains a formidable challenge. Here, we report the crystal structure and physical properties of single crystals of Sr-doped La$_3$Ni$_2$O$_7$ synthesized at high pressure (20 GPa) and high temperature (1400 °C). Through single crystal X-ray diffraction, we showed that high-pressure-synthesized paramagnetic Sr-doped La$_3$Ni$_2$O$_7$ crystallizes in an orthorhombic structure with Ni-O-Ni bond angles of 173.4(2)°out-of-plane and 175.0(2)°and 176.7(2)°in plane. The substitution of Sr alters in band filling and the ratio of Ni$^{2+}$/Ni$^{3+}$ in Sr-doped La$_3$Ni$_2$O$_7$, aligning them with those of "La$_3$Ni$_2$O$_{7.05}$", thereby leading to significant modifications in properties under high pressure relative to the unsubstituted parent phase. At ambient pressure, Sr-doped La$_3$Ni$_2$O$_7$ exhibits insulating properties, and the conductivity increases as pressure goes up to 10 GPa. However, upon further increasing pressure beyond 10.7 GPa, Sr-doped La$_3$Ni$_2$O$_7$ transits back from a metal-like behavior to an insulator. The insulator-metal-insulator trend under high pressure dramatically differs from the behavior of the parent compound La$_3$Ni$_2$O$_{7-δ}$, despite their similar behavior in the low-pressure regime. These experimental results underscore the considerable challenge in achieving superconductivity in nickelates.

연구 동기 및 목표

• 고압 및 고온 조건(20 GPa, 1400 °C)에서 고품질의 스토이히오메트릭 제어가 가능한 스트리아트 도핑된 La₃Ni₂O₇ 단일결정을 합성하기 위해 노력한다.
• 원료 화합물과의 비교를 통해 스트리아트 도핑된 La₃Ni₂O₇에서의 압력 의존 전자상태 전이를 조사한다.
• 스트리아트 도핑이 압력 하에서 니켈 산화 상태와 밴드 충만도에 미치는 영향을 이해하고, 전자적 거동에 미치는 영향를 규명한다.
• 초전도성이 니켈산염에서 여전히 미비한 이유를 명확히 하기 위해, 고압에서 안정화된 금속성 상태가 초전도성으로 이어지지 않는 이유를 탐구한다.

제안 방법

• 20 GPa 및 1400 °C 조건에서 고압 고온 고체상 합성을 통해 스트리아트 도핑된 La₃Ni₂O₇의 단일결정을 제조한다.
• 정방형 결정구조와 정확한 Ni-O-Ni 결합 각도(외향: 173.4(2)°, 내향: 175.0(2)° 및 176.7(2)°)를 결정하기 위해 단일결정 X선 회절을 수행한다.
• 수압성 압력 하에서의 전기적 성질 측정을 통해 저항도 변화를 추적하고 금속-절연체 전이를 식별한다.
• 도핑과 스토이히오메트리의 영향을 분리하기 위해 원료 화합물인 La₃Ni₂O₇₋δ와의 비교 분석을 수행한다.
• 스트리아트 치환에 의한 Ni²⁺/Ni³⁺ 비율 및 밴드 충만도 변화를 분석하여 전자적 반응과의 상관관계를 규명한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 압력 하에서 스트리아트 도핑은 La₃Ni₂O₇의 전자 구조와 밴드 충만도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 왜 스트리아트 도핑된 La₃Ni₂O₇는 10.7 GPa를 초과하면 원료 화합물과는 달리 재진입 절연체 상태를 나타내는가?
• RQ3 고압 합성이 La₃Ni₂O₇ 기반 산화물에서 스토이히오메트릭 제어를 향상시키는 데 얼마나 기여하는가?
• RQ4 Ni-O-Ni 결합 각도는 전자 상호작용과 상전이를 조절하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 관측된 절연체-금속-절연체 순서는 니켈산염에서 초전도성이 나타나지 않는 이유를 설명할 수 있는가?

주요 결과

• 스트리아트 도핑된 La₃Ni₂O₇는 정방형 구조를 가지며, Ni-O-Ni 결합 각도는 외향 173.4(2)°, 내향 175.0(2)° 및 176.7(2)°이다.
• 대기압 조건에서, 제어된 스트리아트 도핑과 변화된 Ni²⁺/Ni³⁺ 비율로 인해 물질은 절연체 행동을 나타낸다.
• 압력 증가에 따라 저항도가 10 GPa까지 감소하여 금속성 상태임을 시사한다.
• 10.7 GPa를 초과하면 저항도가 급격히 증가하여 절연성 행동의 재진입을 나타낸다.
• 압력 하에서의 절연체-금속-절연체 전이 순서는 원료 화합물의 단순한 금속성 경향과 대조되며, 도핑의 근본적인 역할을 시사한다.
• 결과적으로, 니켈산염에서 초전도성을 달성하기 위해서는 단순한 압력 조절을 넘어서 스토이히오메트리와 전자 구조의 정밀한 제어가 필요하다는 점을 시사한다.