几钟磷族拓扑电子材料高压物性研究

发布时间：2020-05-07 05:26

【摘要】：近年来,人们借助数学中封闭曲面的拓扑分类方法,引入电子能带结构的拓扑不变量,发展了拓扑能带理论。在拓扑能带理论中,拓扑电子材料是对具有非平庸拓扑电子能带的材料的统称。对新型材料——拓扑绝缘体的成功预测是拓扑能带理论的一大进展。拓扑绝缘体的价带和导带之间具有类似于普通绝缘体的体能隙,电子不能在体态传导,但其表面存在受时间反演对称性保护的金属态或导电电子态。紧接着人们通过研究自旋—轨道相互作用下的能带结构演化,预测了许多有趣的新型拓扑材料,如:拓扑半金属、拓扑超导体等。拓扑半金属的导带和价带在动量空间呈现线性交叉,费米面缩小为费米点,能隙为零,这些特点导致其具有许多奇特的物理性质,例如:超高的载流子迁移率,轻的有效质量,超大磁电阻效应和手性异常导致的平行磁场下的负磁阻现象等等。拓扑超导体是拓扑绝缘体在超导体中的一种类比,具有Majorana束缚态、完全超导能隙的体态以及拓扑保护的无能隙表面态。这些奇特的物理性质使得拓扑电子材料在低能耗电子学器件、拓扑量子计算等领域具有潜在的应用价值。压力是一种干净、有效的调控手段,可以有效地调控样品的晶格结构以及电子态,尤其是量子态。鉴于近些年来拓扑电子材料研究领域一系列新奇物性的发现,我们基于金刚石对顶砧装置,利用高压粉末X射线衍射和高压下电输运实验,并结合第一性原理计算,开展了几种磷族拓扑电子材料的高压物性研究。具体研究内容及成果如下:一、拓扑半金属TaSb2压力效应研究。研究表明:直至63.0 GPa,TaSb2的常压单斜相能稳定存在。随着压力的增加,电阻-温度曲线保持金属导电行为。在0.6 GPa～27.8 GPa的压力区间内,低温导电行为几乎不变,表现出指数约为3的幂指数行为。与此同时,5 K磁阻满足MR∞Bm关系,其中m=1.45±0.10。这些结果均表明了 TaSb2的拓扑半金属态在27.8 GPa以下可能是鲁棒的。除此之外,研究发现,随着压力的增加,磁阻值的抑制与RRR值的减小直接相关。二、反铁磁狄拉克半金属NdSb中磁场诱导的变磁相变以及压力诱导的铁磁外尔半金属相。研究表明:在1.3 K、高达60 T的条件下,NdSb的磁阻还未达到饱和,量级可达到1.77×106%。高场磁性测量结果显示,在4.2 K时NdSb在9 T附近有一个反铁磁到铁磁态的转变。伴随着变磁相变,磁阻曲线出现了台阶式的下掉,类似于GMR效应。Shubnikov-de Haas量子振荡测量表明变磁相变引起了费米面的重构。此外,在铁磁态,αα能带是准二维拓扑平庸的电子费米口袋。另一方面,同步辐射X射线衍射表明NdSb在Pc～17 GPa左右发生了从Fm-3m相到P4/mmm相的结构相变。伴随着结构相变,压力诱导了由反铁磁Dirac半金属态到铁磁Weyl相的磁相变和拓扑相变。此外,利用强磁场-超高压-极低温技术,我们给出了NdSb样品的完整磁相图。三、PdBi2中压力诱导的不可逆的超导演化。研究表明:压力最初使α-PdBi2的超导转变温度有所增强;然后直至临界压力Pc～8 GPa,超导转变温度几乎不随压力变化。在该临界压力点,αα-PdBi2发生了从单斜α相到四方β相的结构转变。高压下电阻实验结果显示.:在临界压力Pc之上,直至本文所达到的最高压力42.9 GPa,β-PdBi2的超导转变温度保持在2.5 K左右。从最高压力点退压过程中,声相被保留至常压,而Tc呈现出不可逆的演化趋势。四、Mo8Ga41超导电性的高压研究。高压下电阻实验表明:从0 GPa增加至40 GPa,超导转变温度Tc持续减小;且在更高压力下消失。此外,Tc随压力的演化在19 GPa左右出现了一个不连续的异常扭折。随着压力的增加,晶格参数首先单调连续收缩;压力达19 GPa时,样品发生了非晶化。这些发现有助我们理解强电-声子耦合超导体Mo8Ga41中的超导电性。
【图文】：

砧面,金刚石压砧,底座,压砧

逡逑图１．２为各种类型的金刚石压砧。其中图（ａ）为最简单的对顶砧，最高可产逡逑生１２０邋ＧＰａ的压力［１５］。为了达到更高的压力，Ｍａｏ和Ｂｅｌｌ发明了倒角的砧面［２］，，逡逑它可以被视为一个二级砧面（图１．２（ａ）中间）。砧面直径和斜角经过微调和优逡逑化后可产生高达３００－４００邋ＧＰａ的压力［１６，１７］。二次倒角的金刚石对顶砧进一步扩逡逑展了该技术（图１．２（ａ）底部）。这种带倒角的压砧不仅能达到更高的压力，还逡逑能减小砧面边缘的切应力以保证金刚石不易破碎。最近，Ｄｕｂｒｏｖｉｎｓｋｙ等人报道逡逑了一种分离的半球形二阶压砧［１８］，如图１．２（ｂ）所示，其可以产生高达７５０邋ＧＰａ逡逑的压力。这种设计的压砧具有很大的潜力，但目前尚未发展成一种可用于样品逡逑研究的可重复的高压技术。逡逑最初，金刚石砧只是一种商业性的为增光辉而将钻石刻成多面体的切法。逡逑随后

示意图,传压介质,样品室,垫片

密封垫片提供了一个样品腔，可以有效地限制了样品的流动范围。在高压逡逑力下，金刚石对顶贴的Ｃｕｐｐｉｎｇ效应进一步有助于将样品和垫片密封。站面外逡逑垫片的一部分形成一个厚环，像皮带一样支撑着对顶砧（图１．３）。为了防止垫逡逑片的变形以及孔内的样品的爆裂，每次实验前必须进行预压。预压之后的垫片，逡逑需要在其中心位置打孔。可使用微型钻孔机、电火花打孔机、激光或聚焦离子逡逑束（ＦＩＢ）等进行打孔［２１］。一般孔的直径约为金刚石台面的三分之一，这样能逡逑为待测样品提供足够的空间。逡逑Ｒｕｂｙ邋ｏｒ邋ｏｔｈｅｒ邋ｐｒｅｓｓｕｒｅ邋ｍａｒｋｅｒ逦Ｐｒｅｓｓｕｒｅ邋ｔｒａｎｓｍｉｔｔｉｎｇ邋ｍｅｄｉｕｍ逡逑Ｇａｓｋｅｔ逡逑图１．３高压样品室的示意图，包括：垫片、传压介质、Ｒｕｂｙ或其他压标、样品等。逡逑垫片材料的选择一般具有特定的要求，例如：材料硬度高、具有化学惰性逡逑且不与样品发生化学反应、好的延展性等等。目前实验上常用的密封垫片为经逡逑济实惠的Ｔ３０１不锈钢片。而在超高压实验中，更多的使用较硬的铼片和钨片。逡逑此外，由于优越的耐高温特性，铬镍铁合金和铼片经常被用于高温电阻测试中逡逑的ＤＡＣｓ。此外，为满足一些特殊需求，复合垫片被设计出来；其砧面之外的逡逑区域为铼以优化拉伸强度
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O469

【相似文献】