Ground state oxygen holes and the metal-insulator transition in the negative charge transfer rare-earth nickelates
Valentina Bisogni, Sara Catalano, Robert J. Green, Marta Gibert, Raoul Scherwitzl, Yaobo Huang, Vladimir N. Strocov, Pavlo Zubko, Shadi Balandeh, Jean-Marc Tris… 展开作者
Valentina Bisogni, Sara Catalano, Robert J. Green, Marta Gibert, Raoul Scherwitzl, Yaobo Huang, Vladimir N. Strocov, Pavlo Zubko, Shadi Balandeh, Jean-Marc Triscone, George Sawatzky, Thorsten Schmitt
稀土钙钛矿型镍酸盐的金属-绝缘体转变和有趣的物理性质近年来引起了人们的广泛关注。然而，对这些材料的全面理解仍然是难以捉摸的。在这里，以NdNiO 3薄膜作为一个代表性的例子，我们利用X射线吸收和共振非弹性X射线散射（RIXS）光谱的组合来解决稀土镍酸盐的复杂的电子结构的重要方面。在RIXS光谱中观察到的束缚和连续激发的不寻常的共存提供了强有力的证据，这些材料的基态中的氧2 p空穴的丰度。利用团簇计算和安德森杂质模型解释，我们表明，这些不同的光谱特征来自Ni 3d 8配置以及氧2 p价带中的空穴，证实了这些材料不服从传统的正电荷转移图片，而是表现出负电荷转移能量的建议，与最近的模型解释的金属到绝缘体的转变，在键的反折。
英文摘要：
The metal-insulator transitions and the intriguing physical properties of rare-earth perovskite nickelates have attracted considerable attention in recent years. Nonetheless, a complete understanding of these materials remains elusive. Here, taking a NdNiO3 thin film as a representative example, we utilize a combination of x-ray absorption and resonant inelastic x-ray scattering (RIXS) spectroscopies to resolve important aspects of the complex electronic structure of the rare-earth nickelates. The unusual coexistence of bound and continuum excitations observed in the RIXS spectra provides strong evidence for the abundance of oxygen 2p holes in the ground state of these materials. Using cluster calculations and Anderson impurity model interpretation, we show that these distinct spectral signatures arise from a Ni 3d8 configuration along with holes in the oxygen 2p valence band, confirming suggestions that these materials do not obey a conventional positive charge-transfer picture, but instead exhibit a negative charge-transfer energy, in line with recent models interpreting the metal to insulator transition in terms of bond disproportionation.
Role of Oxygen States in the Low Valence Nickelate La$_4$Ni$_3$O$_8$
在方形平面低价镍酸盐中发现超导性引发了关于其基本电子性质的激烈争论：这些材料是否具有类似于铜酸盐的可感知的氧电荷转移特性，或者它们处于氧起最小作用的独特的Mott-Hubbard制度中？在这里，我们解决了这个问题，使用O $K$ -边缘共振非弹性X射线散射（RIXS）测量的低价镍酸盐La $_{4}$ Ni $_{3}$ O $_{8}$和一个原型铜酸盐La $_{2-x}$ Sr $_{x}$ CuO $_{4}$（$x=0.35$）。正如预期的那样，铜酸盐位于Zaanen-Sawatzky-Allen方案的电荷转移机制的深处。镍酸盐，但是，没有很好地描述的ZSA计划的任何限制，并被发现是混合的电荷转移/莫特-哈伯德字符与库仑排斥$U$类似的大小的电荷转移能量$Δ$。然而，过渡金属氧跳跃是更大的La $_{4}$ Ni $_{3}$ O $_{8}$比在La $_{2-x}$ Sr $_{x}$ CuO $_{4}$，导致一个显着的超交换相互作用和明显的空穴占据的配体O轨道在La $_{4}$ Ni $_{3}$ O $_{8}$，尽管其更大的$Δ$。我们的研究结果阐明了低价镍酸盐的本质特征，并对这些材料的超导性的理论解释提出了强有力的限制。
Bond disproportionation and dynamical charge fluctuations in the perovskite rare earth nickelates
我们提出了一个理论描述的局部电子性质的钙钛矿稀土镍酸盐-材料具有负电荷转移能，强O $2p$ - Ni $3d$共价，和呼吸模式晶格畸变的起源高度研究的金属-绝缘体和反铁磁有序过渡。利用一个完整的轨道，全相关的双集群的方法，我们发现强烈的电荷波动与债券的解释。独特的双集群制定允许列入必要的轨道简并和库仑相互作用计算共振X射线光谱响应，我们发现良好的协议与既定的实验结果。这种以前没有的，理论和实验之间的关键联系提供了最近提出的键重离子化理论的验证，并提供了一种分析方法的镍酸盐和其他高价过渡金属化合物的工程阶段的光谱研究。
High oxygen pressure floating zone growth and crystal structure of the layered nickelates R$_4$Ni$_3$O$_{10}$ (R=La, Pr)
用光学成像浮区炉在氧压（pOPDMATHABMP）为20 bar（$_3$）和140 bar（$_{10}$）的条件下成功地生长了金属Ruddlesden-Popper三层镍酸盐$_3$（R=La，Pr）的单晶。结合同步辐射和实验室X射线单晶衍射、高分辨率同步辐射X射线粉末衍射和物理性质的测量表明，R $_4$ Ni $_3$ O $_{10}$（R=La，Pr）在室温下以单斜$P$ 2 $_1$ / $a$（Z=2）空间群结晶，并且可以通过生长后快速冷却来捕获亚稳正交相（$Bmab$）。La $_4$ Ni $_3$ O $_{10}$和Pr $_4$ Ni $_3$ O $_{10}$晶体在低于室温时都经历金属-金属转变（MMT）。在Pr $_4$ Ni $_3$ O $_{10}$的情况下，MMT在~157.6 K被发现。对于La $_4$ Ni $_3$ O $_{10}$，MMT取决于晶格对称性：$Bmab$为147.5 K，$P$ 2 $_1$ / $a$为138.6 K。晶格异常被发现在MMT，当考虑到在$Bmab$和$P$ 2 $_1$ / $a$阶段之间的细微结构差异的转变温度的显着的依赖性，证明了在这些三层镍酸盐的电子和晶格自由度之间的一个不小的耦合。
Interlayer Five-Spin Polaron in Superconducting Bilayer Nickelates
Stanford Institute for Materials and Energy Sciences, SLAC National Accelerator Laboratory（斯坦福材料能源科学研究所，SLAC国家加速器实验室）；Department of Physics, Stanford University（斯坦福大学物理系）；National Synchrotron Light Source II, Brookhaven National Laboratory（美国国家同步辐射光源II，布鲁克海文国家实验室）；Stanford Synchrotron Radiation Lightsource, SLAC National Accelerator Laboratory（斯坦福同步辐射光源，SLAC国家加速器实验室）；Advanced Light Source, Lawrence Berkeley National Laboratory（先进光源，劳伦斯伯克利国家实验室）；Canadian Light Source（加拿大光源）；Department of Physics, University of Florida（佛罗里达大学物理系）；Department of Materials Science and Engineering, Stanford University（斯坦福大学材料科学与工程系）
Observation of Josephson-like tunneling junction characteristics and positive magnetoresistance in Oxygen deficient Nickelate films of $Nd_{0.8}Sr_{0.2}NiO_{3-δ}$
Electronic structures across superconductor-insulator transition in Ruddlesden-Popper bilayer nickelate films
University of Science and Technology of China（中国科学技术大学）；Hefei National Laboratory, University of Science and Technology of China（合肥国家实验室，中国科学技术大学）；Hefei National Research Center for Physical Sciences at the Microscale, University of Science and Technology of China（微观尺度物理科学合肥国家研究中心，中国科学技术大学）；Southern University of Science and Technology（南方科技大学）；Quantum Science Center of Guangdong-Hong Kong-Macao Greater Bay Area（粤港澳大湾区量子科学中心）；Nanjing University（南京大学）；Shanghai Jiao Tong University（上海交通大学）；Tsinghua University（清华大学）
First-principles study of electron and hole doping in perovskite nickelates
稀土镍酸盐R $^{3+}$ Ni $^{3+}$ O $_3$（R=Lu-Pr，Y）在其体相中表现出显著的金属-绝缘体转变，其温度可以通过稀土半径调节。这些化合物也是新发现的无限层RNiO 2超导体的母相。虽然密集的理论工作已经致力于了解的起源中的金属-绝缘体转变的散装，只有少数研究的作用，空穴和电子掺杂的稀土替代RNiO $_3$材料。采用基于密度泛函理论的第一性原理计算，研究了空穴和电子掺杂对镍酸盐SmNiO 3的影响。我们进行计算，没有哈伯德像U势的Ni 3d水平，但与元GGA更好地修正自相互作用的错误。我们发现，在低掺杂，极化子的形成与中间局域态的带隙导致半导体行为。在更大的掺杂，中间状态蔓延越来越多的带隙，直到它们合并的价带（空穴掺杂）或导电（电子掺杂）带，最终导致在25%的R阳离子取代的金属状态。这些结果让人想起文献中的实验数据，并表明DFT模拟没有任何经验参数是合格的相关氧化物中的掺杂效应的研究和探索的机制，稀土镍酸盐的超导相。
