Revealing the role of interfacial heterogeneous nucleation in the metastable thin film growth of rare-earth nickelate electronic transition materials

成核 薄膜 亚稳态 结晶 材料科学 化学物理 氧烷 氧气 电子结构 基质(水族馆) 化学工程 纳米技术 化学 计算化学 光谱学 有机化学 工程类 地质学 物理 海洋学 量子力学
作者
Fengbo Yan,Zhishan Mi,Jinhao Chen,Haiyang Hu,Lei Gao,Jiaou Wang,Nuofu Chen,Yong Jiang,Qiao Li,Jikun Chen
出处
期刊:Physical Chemistry Chemical Physics [The Royal Society of Chemistry]
卷期号:24 (16): 9333-9344 被引量:6
标识
DOI:10.1039/d1cp05347g
摘要

Although rare-earth nickelates (ReNiO3, Re ≠ La) exhibit abundant electronic phases and widely adjustable metal to insulator electronic transition properties, their practical electronic applications are largely impeded by their intrinsic meta-stability. Apart from elevating the oxygen reaction pressure, heterogeneous nucleation is expected to be an alternative strategy that enables the crystallization of ReNiO3 at low meta-stability. In this work, the respective roles of high oxygen pressure and heterogeneous interface in triggering ReNiO3 thin film growth in the metastable state are revealed. ReNiO3 (Re = Nd, Sm, Eu, Gd and Dy) thin films grown on a LaAlO3 single crystal substrate show effective crystallization at atmospheric pressure without the necessity to apply high oxygen pressure, suggesting that the interfacial bonding between the ReNiO3 and substrates can sufficiently reduce the positive Gibbs formation energy of ReNiO3, which is further verified by the first-principles calculations. Nevertheless, the abrupt electronic transitions only appear in ReNiO3 thin films grown at high oxygen pressure, in which case the oxygen vacancies are effectively eliminated via high oxygen pressure reactions as indicated by near-edge X-ray absorption fine structure (NEXAFS) analysis. This work unveils the synergistic effects of heterogeneous nucleation and high oxygen pressure on the growth of high quality ReNiO3 thin films.
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