[논문 리뷰] Strain mediated phase crossover in Ruddlesden Popper nickelates

Ting Cui, Songhee Choi외 18명|arXiv (Cornell University)|2023. 11. 22.

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 에pitaxial 스트레인(비틀림 응력)이 루들던-포커(Ruddlesden-Popper, RP) 니켈산화물 투명막에서 상 교차를 유도함을 보여주며, 인장 스트레인은 무한층상(n = ∞) 상을 선호하고, 체적 압축 스트레인은 n = 2 La3Ni2O7 상을 안정화시킴을 밝혀냈다. 밀도함수이론(DFT) 기반의 첫 번째 원리 계산은 스트레인에 의존하는 니켈 이온 산화 상태와 궤도 분리(압축된 La3Ni2O7에서 약 ~0.2 eV)를 규명하여, 상 공존을 이끄는 이중 메커니즘을 밝혀내었으며, 이는 순수한 상을 갖는 막의 성장과 압력 유도 초전도성 연구에 복잡성을 초래한다.

ABSTRACT

Recent progress on the signatures of pressure-induced high temperature superconductivity in Ruddlesden Popper (RP) nickelates (Lan+1NinO3n+1) has attracted growing interest in both theoretical calculations and experimental efforts. The fabrication of high-quality single crystalline RP nickelate thin films is critical for possible reducing the superconducting transition pressure and advancing applications in microelectronics in the future. In this study, we report the observations of an active phase transition in RP nickelate films induced by misfit strain. We found that RP nickelate films favor the perovskite structure (n = infinite) under tensile strains, while compressive strains stabilize the La3Ni2O7 (n = 2) phase. The selection of distinct phases is governed by the strain dependent formation energy and electronic configuration. In compressively strained La3Ni2O7, we experimentally determined splitting energy is ~0.2 eV and electrons prefer to occupy in-plane orbitals. First principles calculations unveil a robust coupling between strain effects and the valence state of Ni ions in RP nickelates, suggesting a dual driving force for the inevitable phase co-existence transition in RP nickelates. Our work underscores the sensitivity of RP nickelate formation to epitaxial strain, presenting a significant challenge in fabricating pure-phase RP nickelate films. Therefore, special attention to stacking defects and grain boundaries between different RP phases is essential when discussing the pressure-induced superconductivity in RP nickelates.

연구 동기 및 목표

• 에피택셜 스트레인이 니켈산화물 투명막에서 다양한 RP 상의 안정화에 미치는 영향을 조사하는 것.
• RP 니켈산화물의 스트레인 의존 형성 에너지와 전자 구조를 이해하는 것.
• 스트레인 하에서 RP 니켈산화물의 상 공존 메커니즘을 명확히 하는 것.
• 상 공존이 압력 유도 초전도성 및 막 품질에 미치는 영향을 평가하는 것.

제안 방법

• 제어된 인장 및 체적 압축 임의 스트레인을 유도하기 위해 RP 니켈산화물 투명막을 기질에 에피택셜 성장시었다.
• X선 회절 및 전자현미경을 사용하여 결정 구조와 상 조성을 확인하였다.
• 스트레인 의존 형성 에너지와 전자 구조를 분석하기 위해 밀도함수이론(DFT) 기반의 첫 번째 원리 계산을 수행하였다.
• 다양한 스트레인 조건에서의 전자 구조 계산 결과로부터 궤도 분리 에너지를 추출하였다.
• 니켈 이온의 산화 상태를 스트레인 함수로 분석하여 상 전이의 주요 원인을 규명하였다.
• 다른 RP 상 사이의 정렬 결함과 결정립 경계를 상 공존의 잠재적 원인으로 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 에피택셜 스트레인은 니켈산화물 투명막에서 다양한 RP 상의 안정성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 스트레인이 RP 니켈산화물의 형성 에너지와 전자 구조를 조절하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 스트레인이 La3Ni2O7의 니켈 이온 산화 상태와 궤도 점유에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 압축된 RP 니켈산화물 막에서 상 공존의 근본 원인은 무엇인가?
• RQ5 스트레인 유도 상 교차가 압력 유도 초전도성 연구의 성취를 어느 정도 복잡하게 만드는가?

주요 결과

• 인장 스트레인은 RP 니켈산화물 투명막에서 무한층상(n = ∞) 상을 안정화시킨다.
• 압축 스트레인은 n = 2 La3Ni2O7 상의 형성을 선호한다.
• 압축 스트레인을 받은 La3Ni2O7에서, 평면 내와 평면 외부의 니켈 3d 궤도 간의 분리 에너지는 실험적으로 약 ~0.2 eV로 측정되었다.
• 압축 스트레인을 받은 La3Ni2O7에서는 스트레인 유도 궤도 분리로 인해 전자가 평면 내 궤도에 우선적으로 점유된다.
• 첫 번째 원리 계산은 스트레인과 니켈 이온 산화 상태 사이의 강력한 결합을 규명하여, 상 공존을 이끄는 이중 메커니즘을 밝혀냈다.
• 이 연구는 서로 다른 RP 상 사이의 정렬 결함과 결정립 경계가 상 공존의 핵심 요인임을 규명하여 순수한 상을 갖는 막의 제조에 도전 과제를 제기하였다.