ACSPhotonics：鈣鈦礦鎳氧化物薄膜的光譜學研究及等離激元激發觀測

海歸學者發起的公益學術平臺

分享資訊，整合資源

交流學術，偶爾風月

在現代材料科學的最前沿，鈣鈦礦鎳氧化物憑藉其獨特的電子結構和豐富的相圖，引起了廣泛關注。2024年5月，由上海大學理學院尹鑫茂教授領銜的課題組，在ACS Photonics上發表了題為“Tunable Collective Excitations in Epitaxial Perovskite Nickelates”的研究論文。

研究團隊透過先進實驗，揭示了在鎳氧化物薄膜中一種新奇的可調諧集體激發現象。此發現不僅突顯了鎳酸鹽薄膜在光電材料領域的潛在應用，同時也為鎳基超導體中的軌道雜化機制提供了新的研究視角。論文的第一作者為上海大學理學院碩士研究生孫孟霞以及列日大學何旭博士，通訊作者包括尹鑫茂教授、新加坡國立大學陳智新博士以及美國太平洋國家實驗室王樂博士。上海大學為論文的第一通訊單位。

強關聯材料是研究複雜相互作用的理想平臺，在高溫超導、人工智慧、感測技術等領域表現出巨大的應用前景。在許多強關聯過渡金屬氧化物中觀察到的金屬等離激元，已引起激烈討論，推動了基礎科學和潛在應用的發展。理論研究顯示，當在莫特系統中考慮短程和長程庫倫相互作用時，會產生關聯等離激元激發，這種激發具有多個有序光子能量，源自體系內關聯電子的集體振盪行為。此類關聯等離激元已在鈮酸鹽、銅酸鹽等強關聯體系中被觀測，並強調了電荷-自旋耦合的重要性。金屬3d軌道和氧2p軌道的軌道雜化在解釋強關聯體系量子多體問題中起著關鍵作用，但其在促進等離子激元的作用尚未充分探索。

在這項工作中，該課題組透過分子束外延（Molecular
beam epitaxy，MBE）技術在LaAlO₃（LAO）襯底上製備了La_1-xSr_xNiO₃（LSNO）薄膜，其中Sr摻雜濃度分別x=0；x=0.125（LSNO(0.125)）；x=0.25（LSNO(0.25)）。透過橢圓偏振光譜（Spectroscopic ellipsometry，SE）技術觀察到該體系內金屬等離激元與關聯等離激元的激發，並揭示了它們有趣的演變過程。

圖1：LSNO薄膜光學電導率與光譜權重的變化

圖2：等離激元激發峰的觀測

其中，在LNO薄膜中觀察到金屬等離激元和關聯等離激元的共同激發行為；在LSNO(0.125)薄膜中僅觀察到金屬等離激元的激發；而在LSNO(0.25)薄膜中僅觀察到關聯等離激元激發。與其他摻雜濃度樣品不同，LSNO(0.125)薄膜具有高光電導率且未表現出關聯等離激元激發。結合SE光譜與X射線吸收光譜（X-ray
absorption spectroscopy，XAS）的綜合實驗研究，發現LSNO(0.125) 樣品的O2p-Ni3d軌道雜化明顯增強，有效相關U*明顯減弱，這解釋了該體系中關聯等離激元消失和高光電導率的原因，即Ni-O軌道雜化強度對系統內有效相互作用U*起著重要的決定作用，這反過來又會影響LSNO薄膜中等離激元的形成與耗散，進一步影響該體系內光譜權重（Spectral weigh，SW）的增強與轉移。

圖3：Ni-O雜化強度與有效相互作用U*隨Sr摻雜變化

圖4：LSNO晶體結構及控制相關等離子體激元的基本機制說明。等離激元的出現和消失受Ni-O雜化和有效相互作用U*的共同影響

值得注意的是，在LSNO體系中觀察到的關聯等離激元激發與在金屬系統(如金、石墨烯和VO₂)中發現的金屬等離激元有著根本的不同。LSNO體系中等離激元在可見-紫外範圍內存在多個等離子體頻率，增強了光調製的靈活性。此外，LNO薄膜在同一能量位置存在金屬和關聯等離激元同時激發，這是前所未有的現象，支援了關聯等離激元與空間光子的有效耦合並增強了金屬等離激元的激發。

此項研究首次從光譜學角度揭示了鎳酸鹽體系中關聯電荷的集體振盪行為，並透過控制Sr摻雜濃度和Ni-O軌道雜化調節LSNO薄膜中的集體激發行為。這些研究成果不僅加深了鎳基超導母體材料關聯電子行為的基本理解，推動了超導機制的探究，也為高效能光電器件材料的研發提供了新途徑。