几类单晶材料中磁电输运性质研究

发布时间：2020-03-19 14:56

【摘要】：磁电输运性质是材料的重要物理特性之一。1988年,人们在磁性多层膜材料中发现了巨磁阻效应(Giant magnetoresistance,GMR),并在在磁存储设备上获得广泛应用。随着对拓扑量子材料(包括拓扑绝缘体、狄拉克/外尔半金属、狄拉克节线半金属等等)的研究不断深入,在这些材料中显示出的巨大磁阻效应引起了人们极大兴趣。澄清这些材料中巨大磁性效应的物理根源不仅丰富了凝聚态物理的研究,在应用上也将为寻找具有优越磁阻效应的材料提供物理指导。本文主要立足于单载流子/双载流子模型,探讨了在不同近似条件下,双载流子模型可以预测出的磁电输运现象以及对应的物理含义。并将该理论结合量子力学第一性原理能带计算用于解释Cu2TlTe2/Se2、ZrSiS、HfTe5和MoTe2单晶材料的磁电输运实验数据。针对不同材料所表现出的磁电输运性质给出了统一的解释,得到如下结论:1)Cu2TlSe2是以空穴为载流子的金属,Cu2TlTe2由于导带和价带有部分交叠,Cu2+离子引入的电子掺杂使得Cu2TlTe2在低温下成为一个电子-空穴共存的半金属。2)电子浓度与空穴浓度接近与高迁移率使得ZrSiS具有巨大的磁阻效应;费米面存在的开轨道造成了巨大的各向异性磁阻。3)HfTe5是一种窄带隙半导体,电子/空穴载流子浓度变化使得其温度电阻曲线上出现一个电阻峰值。我们可以通过改变Te缺陷浓度,影响载流子性质。从而使电阻的极大值在50-90 K的温度范围内移动;同时也可以利用电子空穴共存来获得超过30000%的巨大磁阻效应。4)在MoTe2体系中利用载流子模型与量子震荡分析结果一致。证明电子、空穴在该材料中共存。由于其迁移率约为103cm2/(V·s),其磁阻仅有1000%。这一结果显示高迁移率(105 cm2/(V·s))对巨大的磁电阻效应至关重要。以上结合单载流子/双载流子输运模型和电子能带结构计算对一系列单晶材料的磁电输运性质的研究,对于深入理解拓扑量子材料的物性有一定的意义,对于应用上提高材料的输运性质也具有一定的借鉴意义。
【图文】：

相图,磁场,温度电阻,导数

在运动过程中受到洛伦兹力作用，从而发生变化产生了磁阻效应。在非磁性材料中，磁逡逑阻通常情况下是一种相对弱的效应［１］，例如对普通金属而言，磁阻一般只有百分之几［２］。逡逑１９８８年，人们在磁性多层膜材料中发现了巨磁阻效应（ＧＭＲ），并在在磁存储设备上获逡逑得广泛应用［３］。随着对石墨烯的研宄深入以及越来越多种的拓扑量子材料被人们发现，逡逑新的巨大磁电阻现象不断被报道，如在外尔以及狄拉克半金属中发现的ＸＭＲ［４，５］等等。逡逑１．１．２磁场和温度诱导下的相变逡逑随着人们对ＸＭＲ现象的深入研究［６］，发现ＸＭＲ的出现与温度和磁场均有关，并逡逑提出存在两条临界线，将磁场－温度平面划分成三个区域，分别对应金属，半导体以及逡逑具有饱和电阻的金属。以ＷＰ２为例［７］，图ｌ－ｌ（ａ）为ＷＰ２在不同磁场下的温度电阻曲线。逡逑图（ｃ）是ＷＰ２磁场－温度相图，在红线以上区域电阻随温度增加而增加，类似于常规金属；逡逑红线和黑线中间区域电阻随温度增加而减少，类似于半导体。逡逑■￣逡逑

硫属化合物,高对称,费米面,入射光子

铜的硫属化合物研究历史己超过３０年，其中铜－硫的层状结构引起了人们的长期关逡逑注［８］。金属－铜－硫这系列化合物是一种重要代表，其通式可表达为ＭＣＵ２，Ａｍ丨（Ｍ＝Ｔ１，逡逑Ｋ，Ｒｂ，，邋Ｃｓ；邋Ｘ＝Ｓ，邋Ｓｅ，邋Ｔｅ；邋ｎ＝邋１，２，邋３），晶体结构如图１－２，表１中列举了部分己知的层状铜逡逑的硫属化合物。逡逑＃逦ｆｔ逡逑j_b\0逡逑ＭＣｕ２Ｘ２逦ＭＣｕａＸ３逡逑＿逡逑Ｃｕ２Ｘ逡逑图ｌ－２ＭＣｕ２ｎＸ２ｎ＋１的单晶结构。此图从文献［８］中拷贝出来。逡逑９逡逑
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB303

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