[논문 리뷰] Strain-induced enhancement of $T_c$ in infinite-layer Pr$_{0.8}$Sr$_{0.2}$NiO$_2$ films

X.M. Ren, Jiarui Li외 14명|arXiv (Cornell University)|2021. 09. 13.

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials참고 문헌 37인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 무한층 구조의 Pr0.8Sr0.2NiO2 에피택시얼 필름에서 기계적 스트레인에 의한 초전도 전이 온도(Tc) 향상을 입증한다. 이는 스트레인을 가한 LSAT 기판 상에서 Tc를 9 K에서 15 K로 높이는 데 기인한다. 이 향상은 면내 압축 스트레인 하에서 Ni 3d–O 2p 오비탈 혼성화가 증가함에 따라 발생하며, 이는 전하 이동 특성을 강화하고 산소 K-edge XAS에서의 프리엣지 피크 강도를 증가시켜 산소 오비탈에 더 많은 정공 도핑과 더 강한 쌍결합 메커니즘을 나타낸다.

ABSTRACT

The mechanism of unconventional superconductivity in correlated materials remains a great challenge in condensed matter physics. The recent discovery of superconductivity in infinite-layer nickelates, as analog to high-Tc cuprates, has opened a new route to tackle this challenge. By growing 8 nm Pr0.8Sr0.2NiO2 films on the (LaAlO3)0.3(Sr2AlTaO6)0.7 substrate, we successfully raise the transition temperature Tc from 9 K in the widely studied SrTiO3-substrated nickelates into 15 K. By combining x-ray absorption spectroscopy with the first-principles and many-body simulations, we find a positive correlation between Tc and the pre-edge peak intensity, which can be attributed to the hybridization between Ni and O orbitals induced by the strain. Our result suggests that structural engineering can further enhance unconventional superconductivity, and the charge-transfer property plays a crucial role in the pairing strength.

연구 동기 및 목표

• 무한층 니켈산화물에서 스트레인의 초전도성 조절 역할을 조사하기 위해.
• 구성상 상호작용이 있는 산화물, 예를 들어 니켈산화물에서 Tc를 향상시킬 수 있는가를 규명하기 위해.
• 전하 이동 특성, 오비탈 혼성화 및 초전도 쌍결합 강도 사이의 연관성을 탐색하기 위해.
• 니켈산화물 필름에서 프리엣지 XAS 강도와 Tc 사이의 정량적 연관성을 설정하기 위해.

제안 방법

• 펄스 레이저 증착 및 CaH2 보조 환원을 통한 8 nm 두께의 Pr0.8Sr0.2NiO2 필름의 에피택시얼 성장과 LSAT 기판에의 성장.
• 에피택시얼 성장과 연속적인 무한층 구조를 확인하기 위해 고해상도 앤귤러 어두운 필드(HAADF) 및 앤귤러 브라이트 필드(ABF) STEM 사용.
• 사방 전위측정 구성으로 전기적 성질을 측정하여 저항도 대 온도 곡선에서 Tc 추출.
• 산소 K-edge XAS를 통해 전하 이동 특성과 Ni 3d–O 2p 혼성화의 지표로 삼는 프리엣지 피크 강도를 분석.
• 전자구조 및 오비탈 혼성화 파rameter 계산을 위한 처음 원리 밀도함수이론(DFT) 및 와이너-타이트바인딩 모델링.
• 조정 가능한 터널링 파라미터(tpd)를 갖는 정확한 대각화 시뮬레이션을 통해 XAS 스펙트럼을 모의하고 스트레인 효과, 프리엣지 피크 강도 및 정공 분포와의 상관관계를 분석.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다른 기판에서 유도된 에피택시얼 스트레인이 Pr0.8Sr0.2NiO2 필름의 초전도 전이 온도 Tc에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 Ni 3d–O 2p 오비탈 혼성화가 니켈산화물에서 초전도성을 강화하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 산소 K-edge XAS에서의 프리엣지 피크 강도가 Tc 및 전하 이동 특성과 어느 정도 상관관계가 있는가?
• RQ4 스트레인 공 ing을 통해 구성상 상호작용이 있는 산화물에서 전하 이동 갭을 조절하고 쌍결합 강도를 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• Pr0.8Sr0.2NiO2 필름의 Tc는 SrTiO3 기판 상에서 9 K에서 LSAT 기판 상에서 15 K로 증가한다. 이는 압축 스트레인에 기인한다.
• LSAT 기판 상에서 성장한 필름에서 산소 K-edge XAS의 프리엣지 피크 강도가 크게 증가하여, Ni 3d–O 2p 혼성화가 강화됨을 나타낸다.
• 처음 원리 및 정확한 대각화 시뮬레이션은 스트레인 하에서 증가한 tpd(Ni–O 터널링)가 O px,py 오비탈에 더 많은 정공 점유를 초래하고 더 강한 프리엣지 특징을 유도함을 확인한다.
• 프리엣지 피크 강도와 Tc 사이에 양의 상관관계가 확인되어, 전하 이동 특성이 초전도성을 향상시키는 데 기여함을 뒷받침한다.
• Tc의 스트레인 유도 향상은 혼성화 증가에 기인하며, 이는 도핑된 정공이 산소 오비탈으로 재분포되어 고 Tc 컵레이트에서 관찰되는 전하 이동 메커니즘을 모방함을 의미한다.
• 결과적으로, 스트레인을 통한 구조 공 ing이 전이 금속 산화물에서 비정상적 초전도성을 향상시키는 효과적인 길임을 입증한다.