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自从铜氧化物高温超导体被发现以来,寻找新的与铜氧化物具有类似电子结构的非常规高温超导材料一直是广大科研工作者研究和关注的焦点。该研究对理解高温超导的电子配对机制有重大科学意义。最近有研究报导称在一种与铜氧母体晶体结构相似,能带结构也类似而且最外层粗看也是3d9轨道主宰的镍酸盐薄膜Nd0.8Sr0.2NiO2中观察到9-15 K的超导电性。虽然很多理论工作跟进研究了该材料的电子态结构和非常规配对机制,但是相关的实验研究,尤其是在块体样品中该材料是否依然保持超导电性还是空缺的。

我们利用高温高压固相合成和低温还原等三步骤技术,合成得到了Nd1-xSrxNiO2(x=0,0.2,0.4)系列多晶样品。结构测量和分析表明该材料具有与报道的薄膜相同的结构和接近的晶格常数,并且扫描电镜的成分分析也表明与预期的成分吻合,然而电阻测量发现在此多晶块材料样品中,并没有在低温下表现出超导电性,反而呈现出绝缘体行为。我们还将该样品加压到50.2万大气压下测量电阻,虽然样品的绝缘体行为被明显抑制,但是超导电性依然没有被发现。该工作首次从实验上报道了Nd1-xSrxNiO2块材的相关结构和物理性质。并提出超导电性在目前多晶块状Nd1-xSrxNiO2样品中缺失的原因可能是由于样品中Ni缺位的存在,或者前期报道的薄膜中的超导来自于薄膜与基片的界面效应或应力效应,这些需要后续的实验加以甄别澄清。该工作于2020年4月03日在线发表于Nature旗下的杂志【Communications Materials 1, 16 (2020)】。 

图1(a)给出了Nd1-xSrxNiO2材料从钙钛矿113结构到与铜氧化物类似的无限层112结构的转变过程。通过后续详细的结构精修和成分表征,证明样品的晶胞参数和Sr掺杂浓度与报道的Nd0.8Sr0.2NiO2超导薄膜具有很好的一致性。通过电输运测试发现样品在低温下并没有表现出超导电性,反而表现为绝缘体行为,如图1(b)所示。另外我们进行了高压下的电输运测试,如图1(c)所示。在高压下Nd0.8Sr0.2NiO2样品依然表现为绝缘体行为。虽然随着压力的增加样品的绝对电阻值小了将近两个数量级,绝缘体行为也受到了明显的压制,但是依然没有发现超导的迹象。我们的相关研究将促进关于Nd1-xSrxNiO2薄膜中超导来源的深入研究,并对新的非常规高温材料探索具有参考意义。

图1. (a) 给出了利用软化学方法从113结构变成112结构的示意过程,右侧给出了Nd1-xSrxNiO2的晶体结构示意图。(b)和(c)显示了该块状样品在常压和高压下的电阻随温度变化曲线。

此工作得到教育部一流学科建设、国家重点研发计划、自然科学基金委和2011计划“人工微结构科学与技术协同创新中心”的支持,在此表示感谢。