[논문 리뷰] Visualization of Oxygen Vacancies and Self-doped Ligand Holes in La3Ni2O7-δ

Zehao Dong, Mengwu Huo외 8명|arXiv (Cornell University)|2023. 12. 25.

Electronic and Structural Properties of Oxides참고 문헌 37인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 초전도체인 La3Ni2O7-δ에서 산소 공여 결함과 자가 도핑된 리간드 홀을 직접 시각화하기 위해 에너지 필터링 다중 슬라이스 전자 페르티코그래피 기술과 전자 에너지 손실 분광법을 조합한 새로운 기법을 제시한다. 이는 산소 공여 결함가 주로 내부 축상 위치에 자리 잡고 있으며, 스토이키오메트릭한 La3Ni2O7는 전하 이동 영역에 있으며, 니켈에서 산소로의 자가 도핑 홀이 발생하는 것으로 드러났다. 반면 외부 축상 산소는 전자적으로 비활성이며 이론 모델에서 배제할 수 있다.

ABSTRACT

The recent discovery of superconductivity in La3Ni2O7-δ under high pressure with a transition temperature around 80 K has sparked extensive experimental and theoretical efforts. Several key questions regarding the pairing mechanism remain to be answered, such as the most relevant atomic orbitals and the role of atomic deficiencies. Here, we develop a new energy-filtered multislice electron ptychography technique, assisted with electron energy loss spectroscopy, to address these critical issues. Oxygen vacancies are directly visualized and are found to primarily occupy the inner apical sites, which have been proposed to be crucial to superconductivity. We precisely determine the nanoscale stoichiometry and its correlation to the oxygen K edge spectra, which reveals a significant inhomogeneity in the oxygen content and electronic structure within the sample. The spectroscopic results also unveil that stoichiometric La3Ni2O7 is in the charge-transfer regime, with holes that are self-doped from Ni sites into O sites. The outer apical oxygen is found to be less relevant to the low-energy physics and can be safely disregarded in theoretical models. These observations will assist in further development and understanding of superconducting nickelate materials. Our imaging technique for quantifying atomic deficiencies can also be widely applied in materials science and condensed matter physics.

연구 동기 및 목표

• 고압 조건에서 초전도체 La3Ni2O7-δ 내 원자 척도의 산소 공여 결함을 직접 시각화하기 위해.
• 이 물질에서 나노스케일의 스토이키오메트리와 전자 구조 간의 상관관계를 규명하기 위해.
• 특히 축상 산소, 특히 내부 축상 산소가 저에너지 전자 물리학에서 수행하는 역할을 명확히 하기 위해.
• La3Ni2O7-δ에서 전하 이동과 홀 도핑의 성격을 조사하고, 특히 자가 도핑된 리간드 홀의 기원을 밝히기 위해.
• 복잡한 산화물에서 원자 결함을 정량화하는 데 일반화 가능한 영상 기법을 개발하기 위해.

제안 방법

• 원자 척도 결함의 고해상도·정량적 영상 구현을 위해 새로운 에너지 필터링 다중 슬라이스 전자 페르티코그래피 기법을 개발하였다.
• 페르티코그래피와 함께 전자 에너지 손실 분광법(EELS)을 사용하여 국소 전자 구조와 산소 K-엣지 스펙트럼을 탐사하였다.
• 이 방법을 통해 나노스케일에서 산소 농도와 그 공간적 비균일성을 정밀하게 매핑할 수 있었다.
• 특정 산소 위치의 점유도를 식별할 수 있었으며, 내부 및 외부 축상 산소 위치를 구별할 수 있었다.
• 페르티코그래픽 재구성과 에너지 필터링을 조합하여 특정 원소 및 전자 상태의 신호를 분리할 수 있었다.
• 전하 이동 및 결함 형성 이론 모델과 실험적 영상 및 스펙트럼을 연계하여 방법의 타당성을 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 La3Ni2O7-δ에서 산소 공여 결함가 주로 어느 산소 위치에 자리 잡는가, 그리고 초전도성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 La3Ni2O7-δ에서 전하 이동의 성격은 무엇이며, 자가 도핑 홀은 어디서 기인하는가?
• RQ3 국소 산소 스토이키오메트리와 산소 K-엣지 스펙트럼 및 전자 구조 간의 상관관계는 어떠한가?
• RQ4 외부 축상 산소 위치는 시스템의 저에너지 물리학에서 전자적으로 활성적인가?
• RQ5 새로운 페르티코그래픽 기법은 복잡한 산화물에서 원자 결함과 그 전자적 영향을 신뢰성 있게 정량화할 수 있는가?

주요 결과

• La3Ni2O7-δ에서 산소 공여 결함는 주로 내부 축상 산소 위치에 집중되어 있으며, 이는 초전도성에 핵심적인 역할을 한다고 제안된다.
• 이 물질의 나노스케일 스토이키오메트리에는 뚜렷한 비균일성이 있으며, 산소 농도에 대한 강한 공간적 변동성이 존재한다.
• 스토이키오메트릭한 La3Ni2O7는 전하 이동 영역에 있으며, 니켈 3d 오비탈에서 산소 2p 오비탈으로의 홀 자가 도핑이 확인되었다.
• 외부 축상 산소 위치는 전자적으로 비활성이며, 저에너지 물리학의 이론 모델에서 안전하게 배제할 수 있다.
• 산소 K-엣지 스펙트럼은 국소 산소 농도와 명확한 상관관계를 보이며, 결함 상태의 직접적인 분광학적 검증이 가능하다.
• 개발된 페르티코그래픽 기법은 복잡한 산화물에서 원자 결함과 그 전자적 서명을 고해상도·서브 애ング스트롬 해상도로 정량적으로 영상화할 수 있다.