[论文解读] Visualization of Oxygen Vacancies and Self-doped Ligand Holes in La3Ni2O7-δ

Zehao Dong, Mengwu Huo+8 more|arXiv (Cornell University)|Dec 25, 2023

Electronic and Structural Properties of Oxides参考文献 37被引用 5

一句话总结

本研究提出一种新型能量过滤多尺度电子全息术，结合电子能量损失谱学，直接可视化高温超导体La3Ni2O7-δ中的氧空位及自掺杂配体空穴。研究发现，氧空位优先占据内层轴向氧位点；化学计量比的La3Ni2O7处于电荷转移区，空穴由Ni自掺杂至O位点；而外层轴向氧在电子学上呈惰性，可从低能物理理论模型中安全排除。

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.

研究动机与目标

• 在高压条件下直接可视化高温超导体La3Ni2O7-δ中的原子尺度氧空位。
• 确定材料中纳米尺度化学计量比及其与电子结构的相关性。
• 阐明不同氧位点（特别是轴向氧）在低能电子物理中的作用。
• 研究La3Ni2O7-δ中电荷转移与空穴掺杂的本质，特别是自掺杂配体空穴的起源。
• 开发一种可推广的成像技术，用于量化复杂氧化物中的原子缺陷。

提出的方法

• 开发一种新型能量过滤多尺度电子全息术，实现原子缺陷的高分辨率、定量成像。
• 结合全息术与电子能量损失谱学（EELS），探测局域电子结构及氧K边谱学。
• 该方法可精确绘制纳米尺度下氧含量及其空间非均匀性。
• 该技术可识别特定氧位点的占据情况，区分内层与外层轴向氧位点。
• 该方法将全息重建与能量过滤相结合，分离特定原子种类与电子态的信号。
• 通过实验图像与谱学数据同电荷转移及缺陷形成理论模型的对比，验证了该方法的有效性。

实验结果

研究问题

• RQ1 La3Ni2O7-δ中的哪些氧位点优先被氧空位占据，其对超导性有何影响？
• RQ2 La3Ni2O7-δ中电荷转移的本质是什么，自掺杂空穴的来源为何？
• RQ3 局部氧化学计量比如何与氧K边谱及电子结构相关联？
• RQ4 外层轴向氧位点在该体系的低能物理中是否具有电子活性？
• RQ5 该新型全息术能否可靠地量化复杂氧化物中原子缺陷及其电子效应？

主要发现

• La3Ni2O7-δ中的氧空位主要位于内层轴向氧位点，该位点被认为对超导性至关重要。
• 该材料的纳米尺度化学计量比表现出显著非均匀性，氧含量存在强烈的空间变化。
• 化学计量比La3Ni2O7被证实处于电荷转移区，空穴由Ni 3d轨道自掺杂至O 2p轨道。
• 外层轴向氧位点被发现为电子学惰性，可从低能物理理论模型中安全排除。
• 氧K边谱学清晰显示出与局域氧含量的相关性，实现了对缺陷态的直接光谱验证。
• 所开发的全息术方法可实现原子缺陷及其电子特征的定量、亚埃级分辨率成像，适用于复杂氧化物。