電子科大和成都大學最新Nature:氫對鎳酸鹽超導性的關鍵作用

一、【導讀】

? 2019年，李丹楓博士發表了一項重要成果，即首次發現了無限層結構的鎳氧化物超導材料Nd_0.8Sr_0.2NiO₂薄膜具有非常規的超導性，其最大超導溫度(T_c)約為15K。隨后，學術界也取得了一些有益的進展，例如，空穴摻雜超導相圖、反鐵磁關聯性、Nd₆Ni₅O₁₂的超導性、電荷密度波(CDW)等，但該領域仍處于起步階段。其中一個最關鍵的挑戰在于材料的合成，其實，稍微了解材料化學的人都可以發現，RNiO₂材料中的Ni元素的化合價為不尋常的+1價，其合成路徑很可能需要化學還原法，沒錯，早在1983年，就有學者采用這一思路實現了該體系的合成（J. Chem. Soc. Faraday Trans. II?79, 1181–1194 (1983)，這一合成思路也被2019年的突破性成果所采用，不過，這一合成路徑通常通過金屬氫化物的拓撲還原反應實現，那么，問題來了，這一化學過程極有可能引入氫元素。

? 關于氫，材料學界的同仁們都清楚，氫元素質輕，大部分常規表征手段難以捕捉到它的蹤影，不過，有一種表征手段卻可以擔此重任，就是二次離子質譜（SIMS），那么，如果能確認該類超導材料中的關鍵作用，將具有重要的科學意義。

二、【成果掠影】

? 近日，電子科技大學喬梁教授，英國“鉆石”光源周克瑾博士，北京計算科學研究中心黃兵研究員以及成都大學王清遠教授等人通過SIMS證實大量H以Nd_0.8Sr_0.2NiO₂H_x (x?0.2-0.5)形成存在于拓撲還原法制備的外延無限層鎳酸鹽中。另外清楚地表明H在超導性中的關鍵作用。相關的研究成果以“Critical role of hydrogen for superconductivity in nickelates”為題發表在知名期刊Nature上。

三、【核心創新點】

? 1、通過超靈敏二次離子質譜(SIMS)證實無限層鎳酸鹽中存在大量的H，形成Nd₈Sr_0.2NiO₂H_x (x?0.2-0.5)。在0.22≤x≤0.28的很窄的H摻雜區間內，電阻率為零。

? 2、DFT計算表明，帶電負性H^-占據頂端氧位點，湮滅了IIS軌道，減少了IIS – Ni 3d軌道雜化。這導致H摻雜Nd_0.8Sr_0.2NiO₂H_x的電子結構更加二維化，這可能與觀測到的超導性有關。

四、【數據概覽】

圖1? 生長和無限層鎳酸鹽的氫檢測。(a)原始Nd_0.8Sr_0.2NiO₃和Nd_0.8Sr_0.2NiO₂薄膜在不同還原時間下的 SIMS 深度剖面，以及使用優化的拓撲還原條件 300 °C 和 120 分鐘下參考還原 SrTiO₃單晶（紅色實線）。(b) 在120分鐘還原的超導樣品中H、Nd、Sr、Ni、O和Ti元素的三維映射。（c）隨還原時間變化的定量的氫濃度 ? 2023 Springer Nature Limited

圖2? Nd_0.8Sr_0.2NiO₂H_x的輸運特性和H摻雜相圖。（a）對具有不同 H 濃度的樣品測量的溫度關聯電阻率（x從0.19到0.44）。(b) Nd_0.8Sr_0.2NiO₂H_x相圖。(c) 對應于a的Nd_0.8Sr_0.2NiO₂H_x薄膜的R_H的變溫特性。(d)? T?= 300 ，15 K條件下，隨氫濃度改變的R_H? ? 2023 Springer Nature Limited

圖3 XAS 和 RIXS 表征 (a) Nd_0.8Sr_0.2NiO₂H_x?x?=0.19、0.26和0.33以及參比 NdNiO₃薄膜的O?K-edge附近的表面敏感總電子產率 XAS 光譜。（b）對應于a 的Ni?L₃-edge附近的體積敏感熒光產率 XAS 光譜。(c)?不同入射角θ下的摻雜有關的 RIXS 光譜 (d?–?f) Nd_0.8Sr_0.2NiO₂H_x?的 RIXS 強度圖，在T??= 20 K時測量，?x??= 0.19 (?d?)、0.26 (?e?) 和 0.33 (?f?) ?? 2023 Springer Nature Limited

圖4 Nd_0.8Sr_0.2NiO₂H_x的電子結構 （a–c）Nd_0.8Sr_0.2NiO₂H_x?(?x??= 0 (?a?), 0.25 (?b?) 和 0.5 (?c?))的帶結構和 DOS 軌道投影。（d）晶格內部跳躍(t₁(Ni3d_x²_?y²→O 2p)，t₂ (O 2p→IIS)，t₄ (Ni3d_z²→Nd5d_z²))和晶格間跳躍(t₃ (Ni3d_x²_?y²→IIS))，沒有(w/ O，左)和(w，右)在Nd_0.8Sr_0.2NiO₂H_x中插入H。（e）3d _x²_?y²-3d _z²軌道極化作為H濃度的函數。（f）平均3d _x²_?y²-3d _z²軌道混合物和平均跳躍之間的競爭示意圖。? 2023 Springer Nature Limited

五、【成果啟示】

? 綜上所述，作者通過SIMS技術證實H存在于拓撲還原制備的外延無限層鎳酸鹽薄膜中，并強調了H是外延無限層鎳酸鹽超導性的重要組成成分。這項研究雖然目前僅對于無限層鎳酸鹽超導有一定的意義，但也為其他超導性材料提出了新的研究方向和策略。作者也提出一個新的問題，在沒有H或只有H摻雜的情況下，這些氧化鎳化合物仍然可以實現超導性嗎？這個問題值得研究學者們的注意。

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原文詳情：https://doi.org/10.1038/s41586-022-05657-2

本文由K . L撰稿。