磁性非中心对称Weyl半金属RAlGe（R=Pr,Ce）化合物的能带研究

发布时间：2020-03-25 19:31

【摘要】：RAlGe(R=La,Pr,Ce)化合物是继TaAs家族之后用于研究Weyl半金属的很好的平台。RAlGe(R=La,Pr,Ce)中的Weyl点的种类多样。例如,在同种材料中既有Type-I类型的Weyl点也有Type-II类型的Weyl点,而根据R原子的不同,既有磁性的Weyl半金属,又有无磁性的Weyl半金属。LaAlGe已经在实验中被证实是比较理想的Type-II的无磁性的Weyl半金属。PrAlGe和CeAlGe在理论计算中被证明是具有磁性的Weyl半金属。因此,本文的主要研究内容是利用角分辨光电子能谱仪技术去测量磁性Weyl半金属RAlGe(R=Pr,Ce)的能带结构。我们利用助熔剂法成功的生长出了大尺寸高质量的PrAlGe单晶和CeAlGe单晶,并且利用XRD和EDX对样品的结构和成分进行了表征,确定了我们所生长的样品就是理论计算的Weyl半金属PrAlGe和CeAlGe,其空间群为14_1md(109)。随后,我们在20K的温度,即PrAlGe单晶的居里温度以上,在上海同步辐射光源利用高分辨率普通角分辨光电子能谱仪(Normal ARPES)测量了PrAlGe单晶高温相的能带结构。首先,通过在高光子能量(472 eV)下测量了PrAlGe单晶在kx-ky面的电子态分布,我们确定了PrAlGe单晶在kx-ky面上的高对称点和高对称线的位置,然后通过改变光子能量测量了kz方向的电子态分布,寻找到了体高对称点的位置。随后我们在6K的温度下,光子能量为21.2 eV的情况下,测量了PrAlGe单晶k_x-k_y面的电子态分布。我们按照理论计算所给的位置测量其能带,我们确定了Type-I类型的Weyl点出现的位置和能量,但是由于样品表面变质太快,以及仪器分辨率的原因,并没有观察到清晰的Weyl点。我们在同样6 K的温度(CeAlGe局里温度以上),21.2 eV的光子能量下测量了CeAlGe单晶k_x-k_y面的电子态分布。由于仪器的分辨率不高和样品解理面不平的问题,我们未能测量到清晰度高的能带和Weyl半金属的费米弧表面态。
【图文】：

费米子,半金属

因为其能带图磁性相变温度前后的变化有着巨大的差异，表明它eyl 点十分的不稳定，在实验中很难观测到。2011 年 A.A Burkov 提出在多层的拓扑绝缘体中掺杂磁性材料，将会使原本的 Dirac 点分裂成两个手反的 Weyl 点，形成一个从普通绝缘体到拓扑绝缘体的中间相[31]。这为得性 Weyl 半金属提供了思路，即将磁性引入 Dirac 系统，比如 TlBi(S1 xSex)3As2[33]和 Na3Bi[5]，因为这些材料是非磁性的，其能带系统由时间反演对保护，加入磁性掺杂物可以打破其时间反演保护，得到 Weyl 半金属，然实证明这个过程是复杂而且较难实现的，也很难在实验中实现。根据费米面的形状以及是否打破洛伦兹对称性，，我们可以将 Weyl 半金为两类，即第一类 (Type I) Weyl 半金属和第二类 (Type II) Weyl 半金属于第一类 Weyl 半金属，其能带在倒空间会呈现出三维的线性交叉形状，在三个方向上能带交叉的斜率相反，即一个正着摆放的沙漏形状。交叉点的能带在三个反向上的斜率符号相反，说明三个方向上的具有相反的费米。当束缚能为 0eV 时，其费米面上会呈现出孤立的点，如图 1-1 (a)所示As 是第一个在实验中被清晰的观察到费米弧表面态的第一类 Weyl 半金且目前被发现的 Weyl 半金属大都是 Type-I 类型的 Weyl 半金属。

能带结构,理论计算,布里渊区,时间反演对称性

- 8 -) PrAlGe 不考虑 SOC 效应的能带结构图 (f) PrAlGe 考虑 SOC 的能带结构图图 1-4 RAlGe 单晶的理论计算的能带结构图[12]3.4 Weyl 点在 RAlGe 的布里渊区的分布由于 LaAlGe、CeAlGe、PrAlGe 三种晶体结构相同，其布里渊区的大小同，相对于 LaAlGe，CeAlGe 和 PrAlGe 相当于只是在沿着布里渊区内的或者 c 轴加了一个磁场，所以我们先从未打破时间反演对称性的 LaAlGe 描述。在不考虑 SOC 效应时，导带和价带相互交叉并且在 kx= 0、ky= 0
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O782.4;O469

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