[논문 리뷰] Synthesis and Characterization of Ca-Substituted Infinite-Layer Nickelate Crystals

Pascal Puphal, Yu‐Mi Wu외 10명|arXiv (Cornell University)|2021. 06. 24.

Chemical and Physical Properties of Materials참고 문헌 1인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 고압 합성과 탑오타크틱 산소 환원을 통해 칼슘 도핑된 무한층 니켈산화물의 고품질 단일결정을 합성한다. 얻어진 결정들은 금속성 전기 전도도와 정공 도핑된 페인막과 유사한 전자 구조를 나타내며, 고도로 도핑된 시스템에서 초전도성 탐색에 적합한 매크로스코픽 단일결정 샘플임을 입증한다.

ABSTRACT

Rare-earth nickelates with the infinite-layer crystal structure have been synthesized in thin film and powder form via topotactic oxygen reduction of the perovskite phase. The infinite-layer phase exhibits remarkable properties, such as superconductivity and magnetic excitations with extraordinarily large bandwidth. Yet, superconductivity was exclusively reported for infinite-layer nickelate films, while polycrystalline powder samples of similar composition were insulating at all measured temperatures. Here, a high-pressure method was used to synthesize high-quality single crystals of the perovskite nickelate La$_{1-x}$Ca$_{x}$NiO$_3$ that were subsequently reduced to the infinite-layer phase La$_{1-x}$Ca$_{x}$NiO$_{2+\delta}$. The obtained samples were characterized by X-ray diffraction, electron microscopy, Raman spectroscopy, magnetometry, and electrical transport measurements. Notably, the metal-like electrical conductivity of the infinite-layer crystals is reminiscent of weakly hole-doped infinite-layer thin films. Moreover, local electron energy-loss spectroscopy reveals close similarities between the electronic structures of the crystals and thin films. This work demonstrates the realization of infinite-layer nickelate crystals with macroscopic size as well as superior crystalline quality, and paves the way for future studies exploring whether more heavily Ca-substituted crystals host superconductivity in analogy to sufficiently hole-doped films.

연구 동기 및 목표

• 무한층 니켈산화물의 매크로스코픽 단일결정 부족 문제를 해결하여 체계적인 전자 성질 연구를 가능하게 하기 위해.
• 정공 도핑된 페인막에서 관찰된 것과 같이 칼슘 도핑된 무한층 니켈산화물이 초전도성을 나타낼 수 있는지 조사하기 위해.
• 고품질 퍼보스카이트 전구체 결정을 고압 합성으로 제조한 후 탑오타크틱 환원을 통해 무한층 상으로 전환하는 경로를 수립하기 위해.
• 고급 광학 및 구조 분석 기법을 사용하여 단일결정과 페인막 간의 전자 구조 및 전기적 성질을 비교하기 위해.

제안 방법

• 퍼보스카이트 상 La₁₋ₓCaₓNiO₃의 단일결정을 고압 고체상 합성으로 성장시켰다.
• 탑오타크틱 산소 환원을 적용하여 퍼보스카이트 상을 무한층 상 La₁₋ₓCaₓNiO₂₊δ로 전환하면서 결정 구조를 유지하였다.
• X선 회절 및 전자현미경을 사용하여 상 순도와 결정 품질을 확인하였다.
• 라만 분광법을 통해 결정 구조의 진동적 특성을 특성화하였다.
• 자기측정 및 전기 전도도 측정을 통해 자성 및 전자적 거동을 평가하였다.
• 국소 전자 에너지 손실 분광법(EELS)을 활용하여 단일결정과 페인막 간의 전자 구조를 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고압 방법을 사용하여 칼슘 도핑된 무한층 니켈산화물의 고품질 단일결정을 합성할 수 있는가?
• RQ2 이러한 단일결정은 정공 도핑된 무한층 페인막과 유사한 금속성 전기 전도도를 나타내는가?
• RQ3 합성된 결정의 전자 구조는 에피택셜 페인막과 어떻게 비교되는가?
• RQ4 고도로 칼슘 도핑된 무한층 니켈산화물 결정에서 페인막에서 관찰된 것과 유사하게 초전도성의 증거가 있는가?
• RQ5 이 물질의 결정 품질과 매크로스코픽 크기 덕분에 향후 비정상 초전도성 연구가 가능해지는가?

주요 결과

• 고압 조건에서 퍼보스카이트 상 La₁₋ₓCaₓNiO₃의 고품질 단일결정을 성공적으로 합성하였다.
• 탑오타크틱 산소 환원을 통해 상 순도가 높고 뛰어난 결정성을 갖는 무한층 결정 La₁₋ₓCaₓNiO₂₊δ를 확보하였다.
• 전기 전도도 측정 결과, 무한층 결정에서 금속성 전기 전도도가 관찰되었으며, 약한 정공 도핑 페인막과 유사하였다.
• 국소 전자 에너지 손실 분광법(EELS)을 통해 단일결정과 에피택셜 페인막 간의 전자 구조가 유사함을 확인하였다.
• 합성된 샘플의 매크로스코픽 크기와 뛰어난 결정 품질 덕분에 향후 전자 성질, 특히 잠재적 초전도성 연구가 가능해졌다.
• 결과적으로 더 높은 칼슘 도핑 농도를 가진 결정에서도 초전도성이 존재할 가능성이 있으며, 이는 충분히 정공 도핑된 페인막과 유사하다.