[论文解读] Pressure and strain tuning of the alternating bilayer-trilayer Ruddlesden-Popper nickelate: crystal and electronic structure

Huan Wu, Yi‐Feng Zhao+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 17, 2026

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials被引用 0

一句话总结

本文采用第一性原理计算研究 La7Ni5O17-2323 在静水压力与双向压缩应变下的行为，揭示在环境条件下存在的动态稳定的 C2/c 结构，在压力和应变作用下呈现四方化，以及 d_z^2 与 d_x2−y2 轨道随压力与应变的演化，包括压力诱导的 trilayer d_z^2 能带穿过费米能级。

ABSTRACT

We use first-principles calculations to investigate the crystal and electronic structure of the hybrid bilayer-trilayer Ruddlesden-Popper (RP) nickelate La$_7$Ni$_5$O$_{17}$ under hydrostatic pressure and biaxial compressive strain. By analyzing the irreducible representations of the dynamically unstable phonon modes in the high-symmetry $P4/mmm$ structure, we identify a dynamically stable lower-symmetry $C2/c$ structure containing octahedral tilts. The application of both pressure and compressive strain tends to suppress the octahedral tilts, effectively tetragonalizing the structure, in analogy with the conventional RPs. The electronic structure under hydrostatic pressure and strain has similarities, but it differs in the position of the $d_{z^2}$ bonding band from the trilayer block. This band crosses the Fermi level at a pressure of 30 GPa, but it remains below it for any level of compressive strain. This strain-induced modification mirrors the electronic structure changes observed in the conventional bilayer nickelate.

研究动机与目标

• 在环境压力下确定高对称性 P4/mmm 相的结构稳定性。
• 通过声子不稳定性识别稳定环境压力下的低对称性畸变。
• 表征静水压力与双向压缩应变如何改变晶体对称性、倾斜及 Ni–O–Ni 键角。
• 分析电子结构的演变，特别是在压力与应变下 d_{x^2−y^2} 与 d_{z^2} 能带的变化。
• 将电子结构的变化与传统的双层/三层 RP 镍酸盐进行比较，评估潜在超导性指标的差异。

提出的方法

• 使用 DFT 计算，采用 PBE GGA 交换相关与超软赝势。
• 结构弛豫至力小于 10^-4 Ry/bohr。
• 使用 ALAMODE 计算 P4/mmm 的声子色散以识别动态不稳定性。
• 利用不稳定不可约表示的群论分析（R 点的 A1u 与 Eu）以预测导致 C2/c 的低对称性畸变。
• 在约 30 GPa 的压力范围内探索压力效应，跟踪晶格常数、Ni–O–Ni 键角及 c 轴变化。
• 分析在压力与应变下，Ni d_{x^2−y^2} 与 d_{z^2} 轨道的电子结构及费米面贡献。

Figure 1: Crystal structure of La 7 Ni 5 O 17 -2323 and phonon dispersion relation. The high-symmetry space group $P4/mmm$ (a), that displays no octahedral tilts, gives rise to unstable phonon modes (b). The structure obtained by applying distortions according to the irreducible representation of th

实验结果

研究问题

• RQ1 环境压力下 La7Ni5O17-2323 的高对称性 P4/mmm 相如何转变为动态稳定的低对称结构？
• RQ2 静水压力对八面体倾斜及由此导致的电子结构，尤其是在费米能级的 d_{z^2} 贡献，有何影响？
• RQ3 双向压缩应变如何影响倾斜、键角及近费米能态的轨道特征？
• RQ4 压力与应变是否将系统推向与常规双层/三层 RP 镍酸盐相当或不同的电子结构，在超导性指标方面有何表现？
• RQ5 在不同外部扰动下， trilayer- 与 bilayer 区段派生的 d_{z^2} 状态在低能物理中的作用是什么？

主要发现

• 在环境压力下，高对称性 P4/mmm 相存在动态不稳定性，R 点的 A1u 与 E_u 声子模式驱动畸变。
• 对这些不稳定模对应的畸变进行弛豫后得到动态稳定的 C2/c 结构，含有八面体倾斜（Ni–O–Ni 键角约为 160–170°）。
• 在静水压力作用下，结构趋于四方化，随着压缩，c 轴及面内角逐步接近 180°，大约在 20–25 GPa 时；约 30 GPa 时实现完全抑制倾斜。
• 在约 30 GPa 时，电子结构在费米能级出现 d_{z^2} 与 d_{x^2−y^2} 态，其中来自双层的 d_{z^2} 键合带在 M 点穿过费米面，来自 trilayer 的 d_{z^2} 键合态几乎穿过费米能级。
• 在 -2% 的双向压缩应变下， trilayer 结合的 d_{z^2} 能带被压入费米能级以下，只保留靠近 E_F 的 bilayer 结合 d_{z^2} 能带，类似于被应变的双层 RP 镍酸盐的行为。
• 在 30 GPa 时占主导的跳跃能显示出强烈的 bilayer/trilayer d_{z^2} 与 d_{x^2−y^2} 的杂化，与 La7Ni5O17-2323 中 bilayer 与 trilayer 物理叠加一致。

Figure 2: Evolution of the structural parameters of La 7 Ni 5 O 17 -2323 under hydrostatic pressure and its electronic structure at 30 GPa. (a-d) Pressure-dependent evolution of (a) the absolute difference between in-plane lattice constants $|a-b|$ ; (b) the cross-plane lattice constant $c$ ; (c) th