[논문 리뷰] Superconductivity in infinite-layer Pr$_{0.8}$Sr$_{0.2}$NiO$_2$ films on different substrates

Xiaolin Ren, Qiang Gao외 4명|arXiv (Cornell University)|2021. 09. 13.

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials참고 문헌 48인용 수 9

한 줄 요약

이 연구는 LSAT 및 SrTiO₃ 기질 위에 에pitaxial으로 성장시킨 Pr₀.₈Sr₀.₂NiO₂ 투명막에서 초전도성을 입증하였으며, LSAT 기질에서는 최대 초전도 전이 온도(Tc)가 15 K이고, SrTiO₃ 기질에서는 9 K였다. 결과는 무한층 니켈산화물의 초전도성이 표면에 의한 것이 아니며, SrTiO₃ 기질이 반드시 필요하지 않음을 시사하며, Tc 향상을 위한 변형 공 ing 기술이 타당한 길임을 나타낸다.

ABSTRACT

The recent discovery of superconductivity in infinite-layer nickelates has motivated tremendous efforts to study these materials that are analogous to cuprates. However, superconductivity in infinite-layer nickelates has been realized only in thin films grown on SrTiO$_3$ substrates, thus raising the question whether it is interface-induced and the query into the role of SrTiO$_3$ substrate. Here, we report the observation of superconductivity in Pr$_{0.8}$Sr$_{0.2}$NiO$_2$ films prepared at almost the same conditions except they are grown on different substrates (LaAlO$_3$)$_{0.3}$(Sr$_2$AlTaO$_6$)$_{0.7}$ (LSAT) and SrTiO$_3$ with the corresponding onset of superconductivity maximized at 15 K and 9K, respectively. Our results not only suggest that the superconductivity in infinite-layer nickelates is unlikely an interface-induced phenomenon and that the SrTiO$_3$ substrate is not a necessary for the emergence of superconductivity, but also indicate that the compressive strain can possibly increase T$_c$ of Pr$_{0.8}$Sr$_{0.2}$NiO$_2$.

연구 동기 및 목표

• 무한층 니켈산화물의 초전도성이 SrTiO₃ 기질에 의해 유도되는지, 아니면 니켈산화물 계층 자체에 내재된 것인지 조사하기 위해.
• SrTiO₃ 이외의 기질 위에 성장된 Pr₀.₈Sr₀.₂NiO₂ 필름에서 초전도성이 나타날 수 있는지 확인하기 위해.
• 기질에 의해 유도된 변형이 니켈산화물 필름의 초전도 전이 온도(Tc)에 미치는 영향을 탐색하기 위해.
• 격자 변형이 니켈산화물 체계에서 초전도 성질을 조절하는 데 수행하는 역할을 평가하기 위해.

제안 방법

• 동일한 조건에서 펄스 레이저 증착을 이용해 LSAT 및 SrTiO₃ 기질 위에 Pr₀.₈Sr₀.₂NiO₂의 에pitaxial 투명막을 성장시켰다.
• 막 품질과 에pitaxial 정렬을 확인하기 위해 X선 회절을 이용한 구조적 특성 분석을 수행했다.
• 저항도 및 자화율 저항 측정을 통해 초전도 전이 온도(Tc)를 결정하기 위해 전기적 운반 특성 측정을 실시했다.
• 특히 LSAT 기질에서의 압축 변형을 비교 분석함으로써 필름의 변형 상태를 분석했다.
• 저항도의 급격한 감소와 저항의 자기장 의존도를 기반으로 초전도 전이 온도(Tc)의 시작점을 추출했다.
• LSAT와 SrTiO₃ 기질 간의 Tc 값 비교 분석을 통해 기질 효과 및 변형 영향을 추론했다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 무한층 니켈산화물의 초전도성은 니켈산화물 계층 자체에 내재된 것인지, 아니면 SrTiO₃ 기질에 의해 유도된 것인가?
• RQ2 Pr₀.₈Sr₀.₂NiO₂ 필름이 SrTiO₃ 이외의 기질 위에 성장될 경우 초전도성이 안정화될 수 있는가?
• RQ3 기질에 의해 유도된 변형은 Pr₀.₈Sr₀.₂NiO₂ 필름의 초전도 전이 온도(Tc)에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 LSAT에서 관측된 Tc 값에 따르면 필름 내 압축 변형이 Tc를 향상시키는가?
• RQ5 기질은 니켈산화물에서 전자 상호작용과 초전도성 쌍을 형성하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• LSAT 기질 위에 성장된 Pr₀.₈Sr₀.₂NiO₂ 필름에서 초전도성이 관측되었으며, 초전도 전이 온도(Tc) 시작점은 15 K였다.
• 동일한 성장 조건에서 SrTiO₃ 기질 위에 성장된 필름에서는 낮은 Tc 시작점 9 K가 측정되었다.
• LSAT 기질에서의 높은 Tc는 니켈산화물 체계에서 압축 변형이 초전도성 쌍을 강화시킬 수 있음을 시사한다.
• SrTiO₃와 동일한 전자적 표면 효과를 갖지 않는 LSAT 기질 위에서도 초전도성이 관측된 것은 이 현상이 표면 효과에 의해 유도된 것이 아님을 시사한다.
• 결과는 SrTiO₃ 기질이 무한층 니켈산화물의 초전도성에 반드시 필요한 조건이 아니라는 것을 암시한다.
• Tc의 변형 의존성 추세는 변형 공 ing 기술이 니켈산화물 재료의 초전도 성질을 최적화하는 전략으로 가능함을 뒷받침한다.