[论文解读] Pressure-dependent "Insulator-Metal-Insulator" Behavior in Sr-doped La$_3$Ni$_2$O$_7$

Mingyu Xu, Shuyuan Huyan+8 more|arXiv (Cornell University)|Dec 21, 2023

High-pressure geophysics and materials被引用 4

一句话总结

本研究调查了在高压（20 GPa）和高温（1400 °C）条件下合成的锶掺杂La₃Ni₂O₇单晶中的压力诱导绝缘体-金属-绝缘体相变。通过单晶X射线衍射和电输运测量，研究发现锶掺杂改变了Ni²⁺/Ni³⁺比例和能带填充度，导致在10 GPa以上出现类金属态，随后在10.7 GPa以上重新出现绝缘行为——与母相化合物的行为形成鲜明对比，凸显了在镍氧化物中实现超导性的挑战。

ABSTRACT

Recently, superconductivity at high temperatures has been observed in bulk La$_3$Ni$_2$O$_{7-δ}$ under high pressure. However, the attainment of high-purity La$_3$Ni$_2$O$_{7-δ}$ single crystals, exhibiting controlled and homogeneous stoichiometry through the post-annealing process in an oxygen-rich floating zone furnace, remains a formidable challenge. Here, we report the crystal structure and physical properties of single crystals of Sr-doped La$_3$Ni$_2$O$_7$ synthesized at high pressure (20 GPa) and high temperature (1400 °C). Through single crystal X-ray diffraction, we showed that high-pressure-synthesized paramagnetic Sr-doped La$_3$Ni$_2$O$_7$ crystallizes in an orthorhombic structure with Ni-O-Ni bond angles of 173.4(2)°out-of-plane and 175.0(2)°and 176.7(2)°in plane. The substitution of Sr alters in band filling and the ratio of Ni$^{2+}$/Ni$^{3+}$ in Sr-doped La$_3$Ni$_2$O$_7$, aligning them with those of "La$_3$Ni$_2$O$_{7.05}$", thereby leading to significant modifications in properties under high pressure relative to the unsubstituted parent phase. At ambient pressure, Sr-doped La$_3$Ni$_2$O$_7$ exhibits insulating properties, and the conductivity increases as pressure goes up to 10 GPa. However, upon further increasing pressure beyond 10.7 GPa, Sr-doped La$_3$Ni$_2$O$_7$ transits back from a metal-like behavior to an insulator. The insulator-metal-insulator trend under high pressure dramatically differs from the behavior of the parent compound La$_3$Ni$_2$O$_{7-δ}$, despite their similar behavior in the low-pressure regime. These experimental results underscore the considerable challenge in achieving superconductivity in nickelates.

研究动机与目标

• 在高压和高温条件下合成高质量、化学计量比精确控制的锶掺杂La₃Ni₂O₇单晶。
• 与母相化合物相比，研究锶掺杂La₃Ni₂O₇在压力依赖下的电子相变行为。
• 理解锶掺杂如何改变镍的氧化态和能带填充度，从而影响高压下的电子行为。
• 阐明尽管在高压下金属态得以稳定，但镍氧化物中为何仍难以实现超导性。

提出的方法

• 在20 GPa和1400 °C的高压高温固态合成条件下，制备锶掺杂La₃Ni₂O₇单晶。
• 采用单晶X射线衍射测定正交晶系结构及精确的Ni-O-Ni键角（垂直方向173.4(2)°，平面内分别为175.0(2)°和176.7(2)°）。
• 在静水压条件下进行电输运测量，追踪电阻率变化并识别金属-绝缘体相变。
• 将锶掺杂La₃Ni₂O₇与母相化合物La₃Ni₂O₇₋δ进行比较，以分离掺杂与化学计量比的作用。
• 分析锶取代引起的Ni²⁺/Ni³⁺比例及能带填充度变化，以关联其与电子响应的关系。

实验结果

研究问题

• RQ1 在高压下，锶掺杂如何影响La₃Ni₂O₇的电子结构和能带填充度？
• RQ2 为何锶掺杂La₃Ni₂O₇在10.7 GPa以上重新出现绝缘态，而母相化合物则无此行为？
• RQ3 高压合成在La₃Ni₂O₇基氧化物中在多大程度上实现了更好的化学计量比控制？
• RQ4 Ni-O-Ni键角在调控电子关联性和相变中起何种作用？
• RQ5 所观察到的绝缘体-金属-绝缘体序列是否可解释镍氧化物中缺乏超导性的原因？

主要发现

• 锶掺杂La₃Ni₂O₇结晶为正交晶系，Ni-O-Ni键角为173.4(2)°（垂直方向）和175.0(2)°与176.7(2)°（平面内）。
• 在常压下，由于受控的锶掺杂和Ni²⁺/Ni³⁺比例的改变，材料表现出绝缘行为。
• 电阻率随压力增加至10 GPa而降低，表明出现类金属态。
• 在10.7 GPa以上，电阻率急剧上升，表明绝缘行为重新出现。
• 压力下的绝缘体-金属-绝缘体序列与母相化合物的单调金属趋势形成鲜明对比，表明掺杂具有根本性作用。
• 结果表明，要在镍氧化物中实现超导性，必须在简单压力调控之外，对化学计量比和电子结构实现精确控制。