ACS Photonics: 钙钛矿镍氧化物薄膜的光谱学研究及等离激元激发观测

2024-06-07 04:06

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在现代材料科学的最前沿，钙钛矿镍氧化物凭借其独特的电子结构和丰富的相图，引起了广泛关注。2024年5月，由上海大学理学院尹鑫茂教授领衔的课题组，在ACS Photonics上发表了题为“Tunable Collective Excitations in Epitaxial Perovskite Nickelates”的研究论文。

研究团队通过先进实验，揭示了在镍氧化物薄膜中一种新奇的可调谐集体激发现象。此发现不仅突显了镍酸盐薄膜在光电材料领域的潜在应用，同时也为镍基超导体中的轨道杂化机制提供了新的研究视角。论文的第一作者为上海大学理学院硕士研究生孙孟霞以及列日大学何旭博士，通讯作者包括尹鑫茂教授、新加坡国立大学陈智新博士以及美国太平洋国家实验室王乐博士。上海大学为论文的第一通讯单位。

强关联材料是研究复杂相互作用的理想平台，在高温超导、人工智能、传感技术等领域表现出巨大的应用前景。在许多强关联过渡金属氧化物中观察到的金属等离激元，已引起激烈讨论，推动了基础科学和潜在应用的发展。理论研究显示，当在莫特系统中考虑短程和长程库伦相互作用时，会产生关联等离激元激发，这种激发具有多个有序光子能量，源自体系内关联电子的集体振荡行为。此类关联等离激元已在铌酸盐、铜酸盐等强关联体系中被观测，并强调了电荷-自旋耦合的重要性。金属3d轨道和氧2p轨道的轨道杂化在解释强关联体系量子多体问题中起着关键作用，但其在促进等离子激元的作用尚未充分探索。

在这项工作中，该课题组通过分子束外延（Molecular beam epitaxy，MBE）技术在LaAlO₃（LAO）衬底上制备了La_1-xSr_xNiO₃（LSNO）薄膜，其中Sr掺杂浓度分别x=0；x=0.125（LSNO(0.125)）；x=0.25（LSNO(0.25)）。通过椭圆偏振光谱（Spectroscopic ellipsometry，SE）技术观察到该体系内金属等离激元与关联等离激元的激发，并揭示了它们有趣的演变过程。

图1：LSNO薄膜光学电导率与光谱权重的变化

图2：等离激元激发峰的观测

其中，在LNO薄膜中观察到金属等离激元和关联等离激元的共同激发行为；在LSNO(0.125)薄膜中仅观察到金属等离激元的激发；而在LSNO(0.25)薄膜中仅观察到关联等离激元激发。与其他掺杂浓度样品不同，LSNO(0.125)薄膜具有高光电导率且未表现出关联等离激元激发。结合SE光谱与X射线吸收光谱（X-ray absorption spectroscopy，XAS）的综合实验研究，发现LSNO(0.125) 样品的O2p-Ni3d轨道杂化明显增强，有效相关U*明显减弱，这解释了该体系中关联等离激元消失和高光电导率的原因，即Ni-O轨道杂化强度对系统内有效相互作用U*起着重要的决定作用，这反过来又会影响LSNO薄膜中等离激元的形成与耗散，进一步影响该体系内光谱权重（Spectral weigh，SW）的增强与转移。

图3：Ni-O杂化强度与有效相互作用U*随Sr掺杂变化

图4：LSNO晶体结构及控制相关等离子体激元的基本机制说明。等离激元的出现和消失受Ni-O杂化和有效相互作用U*的共同影响

值得注意的是，在LSNO体系中观察到的关联等离激元激发与在金属系统(如金、石墨烯和VO₂)中发现的金属等离激元有着根本的不同。LSNO体系中等离激元在可见-紫外范围内存在多个等离子体频率，增强了光调制的灵活性。此外，LNO薄膜在同一能量位置存在金属和关联等离激元同时激发，这是前所未有的现象，支持了关联等离激元与空间光子的有效耦合并增强了金属等离激元的激发。

此项研究首次从光谱学角度揭示了镍酸盐体系中关联电荷的集体振荡行为，并通过控制Sr掺杂浓度和Ni-O轨道杂化调节LSNO薄膜中的集体激发行为。这些研究成果不仅加深了镍基超导母体材料关联电子行为的基本理解，推动了超导机制的探究，也为高性能光电器件材料的研发提供了新途径。