[논문 리뷰] Searching for Superconductivity in High Entropy Oxide Ruddlesden-Popper Cuprate Films

Alessandro R. Mazza, Xingyao Gao외 11명|arXiv (Cornell University)|2021. 11. 18.

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials참고 문헌 58인용 수 31

한 줄 요약

이 연구는 고엔트로피 루들레덴-파커 구리산 필름 ((La0.2Pr0.2Nd0.2Sm0.2Eu0.2)2CuO4)에서 Ce+4(전자) 및 Sr+2(홀) 도핑을 통해 초전도성의 가능성을 조사한다. 단일 상이고 에피택셜 필름을 얻었지만, 산화물 스토이키오메트리 조절을 위해 열처리를 통해 저항성 감소와 금속성 유도를 尽管 시도했으나, A-사이트 양이온 크기의 다양성으로 인한 Cu-O 평면의 큰 왜곡(σ² > 0.015 Ų)으로 인해 초전도성은 나타나지 않았다. 이는 EXAFS 및 전송 측정을 통해 확인되었다.

ABSTRACT

In this work, the high entropy oxide A2CuO4 Ruddlesden-Popper (La0.2Pr0.2Nd0.2Sm0.2Eu0.2)2CuO4 is explored by charge doping with Ce+4 and Sr+2 at concentrations known to induce superconductivity in the simple parent compounds, Nd2CuO4 and La2CuO4. Electron doped (La0.185Pr0.185Nd0.185Sm0.185Eu0.185Ce0.075)2CuO4 and hole doped (La0.18Pr0.18Nd0.18Sm0.18Eu0.18Sr0.1)2CuO4 are synthesized and shown to be single crystal, epitaxially strained, and highly uniform. Transport measurements demonstrate that all as-grown films are insulating regardless of doping. Annealing studies show that resistivity can be tuned by modifying oxygen stoichiometry and inducing metallicity but without superconductivity. These results in turn are connected to extended x-ray absorption fine structure (EXAFS) results indicating that the lack of superconductivity in the high entropy cuprates likely originates from a large distortion within the Cu-O plane ({\sigma}2>0.015 {\AA}2) due to A-site cation size variance, which drives localization of charge carriers. These findings describe new opportunities for controlling charge- and orbital-mediated functional responses in Ruddlesden-Popper crystal structures, driven by balancing of cation size and charge variances that may be exploited for functionally important behaviors such as superconductivity, antiferromagnetism, and metal-insulator transitions, while opening less understood phase spaces hosting doped Mott insulators, strange metals, quantum criticality, pseudogaps, and ordered charge density waves.

연구 동기 및 목표

• 다섯 종류의 A-사이트 양이온을 가진 고엔트로피 산화물 루들레덴-파커 구리산의 초전도성 탐색.
• 전자(Ce) 및 홀(Sr) 도핑이 전자적 운반성 및 구조적 안정성에 미치는 영향 조사.
• 산소 공석 공 ing을 통해 이러한 엔트로피 안정화 시스템에서 금속성 또는 초전도성을 유도할 수 있는지 규명.
• Cu-O 평면의 구조적 왜곡이 초전도 행동 억제에 미치는 영향을 연결하여 분석.

제안 방법

• 720 °C에서 펄스 레이저 증착(PLD)을 사용하여 단일 결정 및 에피택셜 (La0.2Pr0.2Nd0.2Sm0.2Eu0.2)2CuO4 필름 성장.
• 전자적 상 변화를 탐색하기 위해 Ce+4(n형) 및 Sr+2(p형) 도핑을 제어적으로 수행.
• 열처리 중 구조적 안정성과 산소 공석 형성 여부를 모니터링하기 위해 현장에서 X선 회절(XRD) 수행.
• Cu-O 평면의 왜곡과 배위 구조 변화를 정량화하기 위해 고해상도 엑스선 흡수 미세 구조(EXAFS) 분석.
• 저항성, 금속-절연체 전이, 초전도 전이 온도를 평가하기 위해 전송 측정 수행.
• 도핑에 따른 Cu 산화 상태 변화가 예상대로인지 확인하기 위해 XANES 분석 수행.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전자 또는 홀 도핑을 통해 고엔트로피 루들레덴-파커 구리산에서 초전도성이 유도될 수 있는가?
• RQ2 A-사이트 양이온 크기의 다양성이 Cu-O 평면의 구조적 왜곡에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 산소 공석 공 ing을 통해 이 필름의 저항성 조절 및 금속성 유도에 어느 정도 기여할 수 있는가?
• RQ4 금속성 행동을 달성했음에도 불구하고 초전도성이 나타나지 않는 이유는 무엇인가?
• RQ5 Cu-O 평면의 굽힘과 질서 없는 배열이 초전도성 쌍성의 억제에 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 모든 성장 상태 필름(도핑 없음, Ce 도핑, Sr 도핑)은 측정된 모든 온도에서 절연체 성질을 보였다.
• 환원성(H2) 또는 산화성 오존 분雰위에서의 열처리로 저항성이 감소하고, Ce 도핑 필름에서 금속-절연체 전이가 발생했다.
• EXAFS 분석 결과, 모든 샘플에서 큰 Cu-O 평면 왜곡(σ² > 0.015 Ų)이 확인되었으며, 이는 A-사이트 양이온 크기의 다양성 때문으로 추정된다.
• 산소 공석 형성이 Cu-O 평면의 왜곡을 감소시켰고, 이는 저항성 감소와 상관관계를 보였다. 이는 구조적 균일화가 핵심 메커니즘임을 시사한다.
• 산소 스토이키오메트리 조절을 광범위하게 수행한 후에도 어떤 필름에서도 초전도 전이가 관측되지 않았다.
• 초전도성의 주요 장벽은 전자적 도핑이나 산소 농도 자체가 아니라, Cu-O 평면의 구조적 불규칙성임이 규명되었다.