超薄多层镍酸盐超导！周华，最新Science子刊！

顶刊收割机 · 公众号 · · 2025-01-15 08:18

正文

【高端测试找华算】 同步辐射XAFS重磅优惠火爆来袭， 组团测 低至 2499元/ 元素，原价3500元/元素起！限时直降1001元，抢占先机，科研快人一步!

研究背景

长期以来，研究人员一直在寻找其他复杂氧化物体系中超导铜酸盐的类似材料。镍酸盐是明显的竞争者，特别是如果Ni可以稳定在+1价状态，从而与铜酸盐中的Cu ²⁺ 共享相同的3d ⁹ 电子构型。最近在“无限层”镍酸盐Nd _0.8 Sr _0.2 NiO ₂ 中超导性的发现，引起了对该体系和相关体系结构的大量讨论和探索。这导致了关于镍酸盐的内在性质是否直接类似于其他高温超导体（铜酸盐甚至铁基超导体）的主要争论，并且超导系统数量的增加导致了有关高温超导体的基本性质的重要问题。此外，虽然在Nd _0.8 Sr _0.2 NiO ₂ 薄膜中观察到超导性，但发现T _c 随膜厚单调降低，在4.6 nm以下完全抑制。这导致许多人质疑这是由外部效应引起的，还是Tc本质上取决于厚度并在薄膜尺寸极限下消失。

未掺杂的NdNiO ₂ 属于一系列层状方形平面镍酸盐，化学式为 R _n+1 Ni _n O _2n+2 ，被称为“无限层”（n = ∞）镍酸盐，其中R表示稀土阳离子。通过改变维度n，可能会改变电子行为，而不是通过阳离子取代跳帧光电子填充的程度。

先前，哈佛大学Julia A. Mundy团队，亚利桑那州立大学Antia S. Botana团队在Nature Materials上发文，报道了该系列的五重层 (n = 5) 成员 Nd ₆ Ni ₅ O ₁₂ 的合成，其中，在没有化学掺杂的情况下，实现了最佳的类铜酸盐电子填充 (d8.8)。这种结构可以自然地避免化学取代引起的三维（3D）结构紊乱，使Nd ₆ Ni ₅ O ₁₂ 成为研究超导镍酸盐固有性质的理想候选者。

成果简介

近日， 美国阿贡国家实验室周华团队 在Science Advances上发表了题为“Superconductivity in an ultrathin multilayer nickelate”的文章，该项工作报告了在单晶胞Nd ₆ Ni ₅ O ₁₂ 中超导性的发现，该项工作通过分子束外延（MBE）证明了在NdGaO ₃ 上生长的单晶胞Nd ₆ Ni ₅ O ₁₂ 的超导性，与更厚的薄膜相比，表现出厚度不变的超导转变。

在MBE逐层生长过程中进行原位同步加速器x射线散射，发现Nd ₆ Ni ₅ O ₁₂ 前驱体（Nd ₆ Ni ₅ O ₁₆ ）的生长不能通过与（001）取向晶体结构相对应的层序来实现。由于发生了Sr ₂ TiO ₄ 和La ₃ Ni ₂ O ₇ 中最初发现的动态层重排现象，发现超薄Nd ₆ Ni ₅ O ₁₆ 必须按照生长过程中相互扩散的交替顺序生长。

随后的原位化学还原研究表明，超导Nd ₆ Ni ₅ O ₁₂ 相的形核和生长以快速模式发生，并且对还原温度极为敏感，非理想条件会导致缺陷区和超导性的丧失。该项研究为Ruddlesden-Popper镍酸盐的生长提供了见解，强调了对超导性关键的亚稳相进行原位研究的必要性。

研究亮点

1、该项工作观察到在到达超导Nd ₆ Ni ₅ O ₁₂ 相之前，面外晶格常数在中间状态下并不均匀收缩，在某些NiO ₂ 钙钛矿内层有较大的收缩。这种还原过程中的反常行为对于理解镍酸盐的超导机制和进一步提高其性能至关重要。

2、在理想结构的还原膜中，Ni的平均价态为1.2+，但在该项研究的超薄膜中，Ni的实际价态可能与体态有质的差异。非均匀的面外NiO ₂ 面间距离可以诱导空间非均匀的电子态。尽管五层镍酸盐薄膜具有三个不同的对称不等效Ni位点,但理论上预测，内部Ni位点受到具有稍高3d轨道的d _z ² 特征的支持，这可能支持Ni-d _z ² 驱动的平带物理，以稳定超导相。

3、对于最佳的掺Sr无限层镍酸盐超导体，T _c 会随着施加物理压力而单调增加，这可能是由于5d稀土层和3d镍层之间的电子杂化由于面外晶格常数的收缩而增强。另一方面，增加NiO ₂ 的面间距离可以减少稀土电子态在NiO ₂ 平面上的作用，从而延长镍酸盐中超导态的稳定性。因此，通过微调还原条件和外延应变来控制NiO ₂ 的面外面间距，可以达到平衡超导性能和相稳定性的最佳点。

4、该项工作在1-UC极限下实现了超导性，并且开始温度与较厚的薄膜一样高，这与超薄无限层薄膜中T _c 的减少或超导性的丧失形成鲜明对比。在RP多层超导镍酸盐的背景下，由于Ni-O杂化增强而提出的厚度驱动的多带结构修饰可能不重要。准二维五层可以为电子相位鲁棒性提供独特的框架，不受结构扰动的影响。

5、该项实验结果将镍酸盐超导体推向了二维极限，从而为研究量子现象和创新设备提供了前所未有的平台。

图文导读

图1. 3-UC-thick Nd ₆ Ni ₅ O ₁₆ 和1-UC-thick Nd ₆ Ni ₅ O ₁₂ 薄膜的原子结构和输运性质

图2.不同的生长序列和原位x射线测量

图3. Nd ₆ Ni ₅ O ₁₆ 薄膜生长和形貌还原的原位同步x射线结果

图4. 用COBRA测定1-UC-thick Nd ₆ Ni ₅ O _x 薄膜在还原过程中的面外原子结构

结论展望

综上所述，通过在氧化物MBE过程中使用原位同步加速器x射线散射，发现超薄Nd ₆ Ni ₅ O ₁₆ 薄膜的生长并不遵循RP公式的单位层顺序，而是由于在MBE过程中发生层重排而需要在两者之间额外添加Nd-O层。随后对1-UC-thick薄膜的拓扑还原的原位研究表明，在205°C附近的温度下，氧气的损失很快发生，晶体质量和界面粗糙度几乎没有损失。

超薄多层镍酸盐超导！周华，最新Science子刊！

正文

请到「今天看啥」查看全文