Rare-earth nickelates: The metastable oxides exhibitingmultifold electronic phase transition functionalities

Abstract

稀土镍基氧化物（ReNiO3）具有丰富的电子结构，可在特征温度、特征压力、极化电场、化学或电化学氢化触发下可发生多重电子相变并引起材料物理性能的突变，这一特性为设计制作新型强关联电子器件提供了宽广的探索空间。ReNiO3基于Ni3+轨道价键歧化与反歧化所引起的金属绝缘体相转变特性，其特征触发温度（TMIT）可通过稀土元素组分实现在100-600 K的宽广温区范围的连续调控，在突变式热敏电阻、红外伪装等方面具有潜在应用价值。此外，通过化学、电化学氢化触发ReNiO3电子结构在基于Ni3+的电子迅游态、Ni2+的电子局域态、Ni1+的超导相间的氢致电子相变自2014年以来被相继报道，并开启了对ReNiO3应用于仿生电场传感器、面向人工智能的神经元逻辑器件、生物质传感等方面的全新探索。然而与传统氧化物材料所不同，除LaNiO3（无金属绝缘体电子相变特性）以外的ReNiO3均处于热力学亚稳相状态，其具有正向的吉布斯合成自由能而无法通过传统固相反应实现其材料生长；而ReNiO3材料生长方面的技术难点在一定程度上制约了其基础探索与器件应用。当前有关ReNiO3氢致电子相变、镍基超导等前沿研究主要集中于轻、中稀土组分；而将上述基础探索拓展至重稀土元素组分有赖于其亚稳相材料制备技术的进一步发展。本文将结合上述ReNiO3研究中的前沿动态，从ReNiO3的温致电子相变与潜在应用、氢致电子相变与潜在应用、亚稳相材料生长中的关键技术等该方向中的三方面研究重点进行综述，并对ReNiO3氢致电子相变机理、重稀土组分材料生等未来研究中的关键性问题进行展望。