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

Xiaolin Ren, Qiang Gao+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 13, 2021

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials参考文献 48被引用 9

一句话总结

本研究展示了在LSAT和SrTiO₃衬底上外延生长的Pr₀.₈Sr₀.₂NiO₂薄膜中存在超导性，其最大超导转变温度（Tc）分别为15 K（LSAT上）和9 K（SrTiO₃上）。结果表明，无限层镍氧化物中的超导性并非由界面引起，也不依赖于SrTiO₃衬底，提示应变工程是提升Tc的可行途径。

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$_2$.

研究动机与目标

• 探究无限层镍氧化物中的超导性是否由SrTiO₃衬底诱导，或是否为镍氧化物层本身的本征性质。
• 确定Pr₀.₈Sr₀.₂NiO₂薄膜在非SrTiO₃衬底上是否可出现超导性。
• 探讨衬底诱导的应变对镍氧化物薄膜超导转变温度（Tc）的影响。
• 评估晶格应变在调控镍氧化物体系超导性质中的作用。

提出的方法

• 采用脉冲激光沉积法，在LSAT和SrTiO₃衬底上以相同条件外延生长Pr₀.₈Sr₀.₂NiO₂薄膜。
• 利用X射线衍射对薄膜质量及外延取向进行结构表征。
• 通过电阻率和磁阻测量进行电输运测量，以确定超导转变温度（Tc）。
• 基于薄膜与衬底之间的晶格失配分析薄膜的应变状态，特别比较LSAT衬底上薄膜的压缩应变。
• 从电阻率下降行为及电阻随磁场的变化关系提取超导起始温度（Tc）。
• 通过对比LSAT与SrTiO₃衬底上Tc值的差异，推断衬底效应及应变影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 无限层镍氧化物中的超导性是镍氧化物层本身的本征性质，还是由SrTiO₃衬底诱导的？
• RQ2 Pr₀.₈Sr₀.₂NiO₂薄膜在非SrTiO₃衬底上是否可实现超导性稳定存在？
• RQ3 衬底诱导的应变如何影响Pr₀.₈Sr₀.₂NiO₂薄膜的超导转变温度（Tc）？
• RQ4 如LSAT上测得的Tc值所示，薄膜中的压缩应变是否可增强Tc？
• RQ5 衬底在调控镍氧化物中电子关联与超导配对机制中起何种作用？

主要发现

• 在LSAT衬底上生长的Pr₀.₈Sr₀.₂NiO₂薄膜中观测到超导性，其超导转变温度（Tc）起始温度为15 K。
• 在相同生长条件下，SrTiO₃衬底上生长的薄膜测得的Tc起始温度为9 K。
• LSAT上更高的Tc表明，压缩应变可能增强镍氧化物体系中的超导配对。
• 在LSAT上观测到超导性，而LSAT不具备与SrTiO₃相同的电子界面，表明该现象并非由界面诱导。
• 结果表明，SrTiO₃衬底并非无限层镍氧化物中实现超导性的必要条件。
• Tc随应变变化的趋势支持应变工程作为优化镍氧化物材料超导性质的潜在策略。