近日，河南大学与河南省科学院的刘亮亮/贾瑜团队与广东工业大学、中国科学技术大学等院校合作研究，预言La₃Ni₂O₇薄膜在合适的衬底提供~2%拉伸应力下有望常压实现更高的超导临界温度，相关研究成果近日发表在物理学顶刊《物理评论快报》（Physical Review Letters），河南大学刘亮亮副教授与广东工业大学彭俊豪博士为共同第一作者，董华锋教授、贾瑜教授和张振宇教授为共同通讯作者。

2023年，我国科研人员在Ruddlesden-Popper相双层La₃Ni₂O₇体相中发现约80 K超导电性，并在多个类似镍氧化物体系中得到验证。然而，极端高压限制了材料本征物性的精准表征，也阻碍了对超导配对机制等核心问题的深入研究。为突破高压限制，外延应变调控成为实现常压超导的重要路径。目前，借助衬底压缩应变，科研人员已在常压下实现La₃Ni₂O₇薄膜40-60 K超导，证实异质外延是研究其超导与电子结构的重要平台。不过，当前超导主要局限于压缩应变窗口，Tc仍低于高压体相80-100 K。已有研究表明，Tc与晶格c轴参数呈负相关，因此提出“反向调控”策略，通过面内拉伸应变压缩c轴、促进Ni γ带（轨道成键态）金属化，以进一步优化超导性能。然而，在约1.9%拉应变的SrTiO₃衬底上，La₃Ni₂O₇薄膜尚未观察到超导，表明仍需开发更适配的衬底体系与连续可控的应变调控方法。

图1：（a）和（b）La₃Ni₂O₇异质结模型。（c）和（d）La₃Ni₂O₇薄膜的热力学稳定性分析。

针对上述挑战，本研究构建合金化三元衬底体系Ba₁-_xSr_xO（x = 1-0）[见图1]，通过调控Sr含量实现La₃Ni₂O₇薄膜从压缩到拉伸的连续调控。计算表明，压缩应变衬底Ba_0.25Sr_0.75O（-1.6%）与拉伸应变衬底Ba_0.75Sr_0.25O（2.1%）均利于薄膜高质量外延生长且热力学稳定；而实验常用的SrTiO₃，TiO₂截止面界面易出现结构扭曲降低薄膜稳定性，SrO截止面则更利于稳定外延。更重要的是，Ba₁-_xSr_xO系列衬底可有效调控薄膜电子结构[见图2]：压缩应变拉长c轴及NiO6八面体，使Ni γ能带下移远离费米能级；拉伸应变则导致c轴收缩、NiO₆八面体倾角θ增大，推动Ni γ能带上移至费米能级附近。尤其在Ba_0.75Sr_0.25O和BaO衬底的较大拉伸应变下，电子从Ni的d_z²转移到d_x²_-y²轨道，在γ带引入空穴掺杂并诱导金属化。约2.1%拉伸应变下，Ni d_z²轨道在费米能级附近形成明显峰值，态密度N(E_F)接近高压体相，而高电子态密度有助于增强超导性，表明La₃Ni₂O₇/Ba_0.75Sr_0.25O异质结有望实现与高压体相媲美的超导特性。综上，在Ba_0.75Sr_0.25O或SrO-SrTiO₃衬底上施加约2%拉伸应变，可实现La₃Ni₂O₇薄膜高质量稳定外延，同时调控Ni d_z²轨道电子态使其接近高压超导相，为常压下实现更高Tc提供了可行平台。

图2：La₃Ni₂O₇薄膜在衬底拉伸和压缩应力调节下的电子结构演化

该工作得到了科技部科技创新2030、国家自然科学基金委和河南省自然科学基金委的资助。论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/p3bb-9njy。