[論文レビュー] Searching for Superconductivity in High Entropy Oxide Ruddlesden-Popper Cuprate Films

Alessandro R. Mazza, Xingyao Gao+11 more|arXiv (Cornell University)|Nov 18, 2021

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials参考文献 58被引用数 31

ひとこと要約

本研究は、Ce+4（電子）およびSr+2（ホール）ドーピングを用いて、高エントロピー Ruddlesden-Popper チューブ酸化物薄膜（La0.2Pr0.2Nd0.2Sm0.2Eu0.2)2CuO4における超伝導性を調査した。単相でエpitaxialな薄膜が得られたが、酸素化学 stoichiometry をアニールによって調整して抵抗率を低下させ金属的性質を誘導しても、A-site カチオンのサイズ分散に起因する Cu-O 平面の大きな歪み（σ² > 0.015 Ų）のため、超伝導性は出現しなかった。EXAFS および輸送測定により確認された。

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.

研究の動機と目的

• 5種の異なる A-site カチオンを有する高エントロピー酸化物 Ruddlesden-Popper チューブ酸化物における超伝導性の探求。
• 電子（Ce）およびホール（Sr）ドーピングが電子的輸送および構造的安定性に与える影響の調査。
• 酸素バキューリー工学が、これらのエントロピー安定化系において金属的性質または超伝導性を誘導できるかの特定。
• Cu-O 平面内の構造的歪みと超伝導行動の抑制との関連の解明。

提案手法

• 720 °C でのパルスレーザー堆積（PLD）を用いて、単結晶でエpitaxialな（La0.2Pr0.2Nd0.2Sm0.2Eu0.2)2CuO4薄膜の成長。
• 電子的相の進化を調査するため、Ce+4（n型）および Sr+2（p型）による制御されたドーピング。
• アニール中の構造的安定性および酸素バキューリー生成をモニタリングするためのイン・スイート X線回折（XRD）。
• Cu-O 平面の歪みおよび配位数の変化を定量するための拡張 X線吸収微細構造（EXAFS）。
• 抵抗率、金属-絶縁体転移、超伝導転移温度の評価のための輸送測定。
• ドーピングに伴う Cu の酸化状態の変化が期待通りであるかを確認するための XANES。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電子またはホールドーピングによって、高エントロピー Ruddlesden-Popper チューブ酸化物に超伝導性を誘導できるか？
• RQ2 A-site カチオンのサイズ分散が、Cu-O 平面における構造的歪みにどのように影響するか？
• RQ3 酸素バキューリー工学によって、これらの薄膜における抵抗率をどれほど調節でき、金属的性質を誘導できるか？
• RQ4 金属的性質を達成しても、なぜ超伝導性が出現しないのか？
• RQ5 Cu-O 平面のバッキングおよび不規則性が、超伝導対形成を抑制する役割を果たすか？

主な発見

• すべての成長直後の薄膜（未ドーピング、Ceドーピング、Srドーピング）は、測定温度全域で絶縁体的性質を示した。
• 還元雰囲気（H2）または酸化雰囲気（オゾン）でのアニールにより、Ceドーピング薄膜の抵抗率が低下し、金属-絶縁体転移が誘導された。
• EXAFSにより、すべてのサンプルで大きな Cu-O 平面歪み（σ² > 0.015 Ų）が確認され、これは A-site カチオンのサイズ分散に起因するとされた。
• 酸素バキューリー生成により Cu-O 平面の歪みが減少し、抵抗率の低下と相関した。これは、構造的均一化が主なメカニズムであることを示唆した。
• 酸素化学 stoichiometry の広範な調整にもかかわらず、いかなる薄膜でも超伝導転移は観察されなかった。
• 超伝導性の主な障壁は、電子的ドーピングや酸素含有量そのものではなく、Cu-O 平面内の構造的不規則性であると特定された。