[论文解读] Strain mediated phase crossover in Ruddlesden Popper nickelates

Ting Cui, Songhee Choi+18 more|arXiv (Cornell University)|Nov 22, 2023

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials被引用 5

一句话总结

本研究证明，外延应变在 Ruddlesden-Popper (RP) 镍氧化物薄膜中诱导了相交叉转变，其中拉伸应变有利于无限层相（n = ∞），而压缩应变则稳定了 n = 2 的 La3Ni2O7 相。第一性原理计算揭示了应变依赖的 Ni 价态及轨道分裂（在压缩的 La3Ni2O7 中约为 0.2 eV），表明相共存存在双重驱动力，这使得获得纯相薄膜更加复杂，并对压力诱导超导研究构成挑战。

ABSTRACT

Recent progress on the signatures of pressure-induced high temperature superconductivity in Ruddlesden Popper (RP) nickelates (Lan+1NinO3n+1) has attracted growing interest in both theoretical calculations and experimental efforts. The fabrication of high-quality single crystalline RP nickelate thin films is critical for possible reducing the superconducting transition pressure and advancing applications in microelectronics in the future. In this study, we report the observations of an active phase transition in RP nickelate films induced by misfit strain. We found that RP nickelate films favor the perovskite structure (n = infinite) under tensile strains, while compressive strains stabilize the La3Ni2O7 (n = 2) phase. The selection of distinct phases is governed by the strain dependent formation energy and electronic configuration. In compressively strained La3Ni2O7, we experimentally determined splitting energy is ~0.2 eV and electrons prefer to occupy in-plane orbitals. First principles calculations unveil a robust coupling between strain effects and the valence state of Ni ions in RP nickelates, suggesting a dual driving force for the inevitable phase co-existence transition in RP nickelates. Our work underscores the sensitivity of RP nickelate formation to epitaxial strain, presenting a significant challenge in fabricating pure-phase RP nickelate films. Therefore, special attention to stacking defects and grain boundaries between different RP phases is essential when discussing the pressure-induced superconductivity in RP nickelates.

研究动机与目标

• 研究外延应变在稳定镍氧化物薄膜中不同 RP 相中的作用。
• 理解应变依赖的 RP 镍氧化物形成能与电子结构。
• 阐明应变下 RP 镍氧化物相共存的机制。
• 评估相共存对压力诱导超导及薄膜质量的影响。

提出的方法

• 在基底上外延生长 RP 镍氧化物薄膜，以引入受控的拉伸和压缩失配应变。
• 利用 X 射线衍射和电子显微镜确定晶体结构和相组成。
• 采用第一性原理密度泛函理论（DFT）计算分析应变依赖的形成能与电子构型。
• 从不同应变条件下的电子结构计算中提取轨道分裂能。
• 分析 Ni 离子价态随应变的变化，以识别相变的驱动力。
• 评估不同 RP 相之间的堆垛缺陷和晶界作为相共存的潜在来源。

实验结果

研究问题

• RQ1 外延应变如何影响镍氧化物薄膜中不同 RP 相的稳定性？
• RQ2 应变在调节 RP 镍氧化物形成能与电子结构中起什么作用？
• RQ3 应变如何影响 La3Ni2O7 中 Ni 的价态与轨道占据？
• RQ4 应变 RP 镍氧化物薄膜中相共存的起源是什么？
• RQ5 应变诱导的相交叉在多大程度上增加了实现压力诱导超导的难度？

主要发现

• 拉伸应变稳定了 RP 镍氧化物薄膜中的无限层相（n = ∞）。
• 压缩应变有利于 n = 2 La3Ni2O7 相的形成。
• 在压缩应变的 La3Ni2O7 中，平面内与平面外 Ni 3d 轨道之间的分裂能被实验测定为约 0.2 eV。
• 在压缩应变的 La3Ni2O7 中，电子由于应变诱导的轨道分裂而优先占据平面内轨道。
• 第一性原理计算揭示了应变与 Ni 价态之间存在强耦合，表明相共存存在双重驱动力。
• 本研究识别出不同 RP 相之间的堆垛缺陷和晶界是相共存的关键因素，这对制备纯相薄膜构成了挑战。