磁性拓扑半金属的反常能斯特效应研究
发布时间：2021-06-06 19:05
热电效应包括塞贝克（Seebeck）效应和能斯特（Nernst）效应,能够敏锐地反应费米面的拓扑结构信息,在凝聚态科学领域被作为一个强有力的手段探测研究拓扑相变、量子相变、自旋激发和磁有序等奇异的物理现象。一个导体,如果其纵向的温度梯度能够产生一个纵向电压,即为Seebeck效应;当外加一个垂直温度梯度方向的磁场,导体的横向产生一个电场,这个现象被称为Nernst效应。人们已经在强关联电子系统、半金属以及铁磁体中观察到巨大的能斯特信号,并以此探索体系的电子相变。特别是在铁磁体系中,当外磁场为零,体系也能表现出较大的能斯特信号,这种现象被称为反常能斯特效应。在本论文中,我们通过输运测量（包括磁致热电效应）研究了两种拓扑铁磁半金属材料:（1）重点研究了具有Kagome晶格的准二维铁磁Weyl半金属Co3Sn2S2中的反常量子输运性质,测量了其反常的霍尔效应和反常能斯特效应;（2）研究了二维的铁磁Nodal-line半金属Fe3-xGe Te2体系在不同铁空位下的反常霍尔效应和反常能...
【文章来源】：杭州师范大学浙江省
【文章页数】：61 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
四种典型材料的能带结构示意图
杭州师范大学硕士学位论文1前言2自由跃迁；绝缘体和半导体类似，导带和价带之间都存有一定带隙，不过绝缘体的带隙要比半导体大很多；半（准）金属是一种导带底和价带顶相互交叠的新奇材料，在费米能级上没有带隙，因此，不需要受到激发，价带顶部的电子会自动跃迁至低能量的导带底部。1.1拓扑绝缘体和普通的绝缘体不同，拓扑绝缘体的体态是具有能隙的绝缘态，表面态是无能隙的金属态，这种特殊能带结构是产生量子霍尔效应(QHE)的天然平台，在二维拓扑材料中，强自旋轨道作用能够打开体态的能隙，而边缘态上存在手性自旋流，受时间反演对称性保护，这种现象被称为量子自旋霍尔效应(QSHE)。2005年，C.L.Kane等人[16]通过理论计算预言了二维石墨烯材料可以在低温实验下由半金属状态演化成QSH绝缘体状态。次年，张首晟教授通过和B.A.Bernevig等人[17]合作，理论预言了Hg/CdTe体系的量子阱实验中可以出现QSHE，并在随后的实验上成功观测到了这一现象[18]。图1-2HgTe/CdTe量子阱实验[19](a)量子阱结构；(b)量子阱结构发生的能带反转；(c)栅极电压调节下的输运行为
杭州师范大学硕士学位论文1前言3Hg1-xCdxTe是一种具有强自旋轨道耦合(SOC)的半导体，且CdTe和HgTe有着“相反”的能带结构（图1-2b），将HgTe和CdTe做成量子阱结构，这样就可以在两种能带结构中进行连续调节[19]（图1-2a）。研究发现，当HgTe层的厚度小于临界值6.3纳米时，量子阱中的束缚电子态与正常能带的电子态一样，当其厚度大于6.3纳米，量子阱中的能带就会发生反转。随着量子自旋霍尔效应在大量的二维拓扑绝缘体中被发现，人们开始研究三维拓扑态，自2005年开始，C.L.Kane[16]、J.E.Moore[20]和R.Roy[21]研究组陆续提出了三维的拓扑概念。他们使用拓扑不变量Z2来描述系统空间的拓扑性质，通常使用四个Z2（一个强Z2不变量和三个弱Z2不变量）不变量描述三维拓扑态，这种方式下的拓扑绝缘体同时具有无能隙的表面态和绝缘的体态。对于其他受到强自旋轨道耦合作用下的二维材料和三维强拓扑绝缘体材料，它们有着非常稳健的体态，具有强的抗干扰特性[16]。(a)(b)图1-3ARPES测得Bi0.9Sb0.1单晶的电子结构[23](a)沿布里渊区空间中y方向；(b)沿z方向2007年，傅亮教授和C.L.Kane研究组率先通过理论计算预言合金Bi1-xSbx、ɑ相的Sn单晶以及单轴应力作用下的HgTe可能是三维拓扑绝缘体(TIs)[22]。随后，D.Heish研究组合成了第一个3D拓扑绝缘体Bi0.9Sb0.1，并通过高分辨率的角分辨光电子能谱(ARPES)来测量材料的体布里渊区内沿不同方向动量空间的电子能带色散关系[23]，如图1-3(a-b)分别是沿y,z方向得到的测量结果，在距离费米
本文编号：3214967
【文章来源】：杭州师范大学浙江省
【文章页数】：61 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
四种典型材料的能带结构示意图
杭州师范大学硕士学位论文1前言2自由跃迁；绝缘体和半导体类似，导带和价带之间都存有一定带隙，不过绝缘体的带隙要比半导体大很多；半（准）金属是一种导带底和价带顶相互交叠的新奇材料，在费米能级上没有带隙，因此，不需要受到激发，价带顶部的电子会自动跃迁至低能量的导带底部。1.1拓扑绝缘体和普通的绝缘体不同，拓扑绝缘体的体态是具有能隙的绝缘态，表面态是无能隙的金属态，这种特殊能带结构是产生量子霍尔效应(QHE)的天然平台，在二维拓扑材料中，强自旋轨道作用能够打开体态的能隙，而边缘态上存在手性自旋流，受时间反演对称性保护，这种现象被称为量子自旋霍尔效应(QSHE)。2005年，C.L.Kane等人[16]通过理论计算预言了二维石墨烯材料可以在低温实验下由半金属状态演化成QSH绝缘体状态。次年，张首晟教授通过和B.A.Bernevig等人[17]合作，理论预言了Hg/CdTe体系的量子阱实验中可以出现QSHE，并在随后的实验上成功观测到了这一现象[18]。图1-2HgTe/CdTe量子阱实验[19](a)量子阱结构；(b)量子阱结构发生的能带反转；(c)栅极电压调节下的输运行为
杭州师范大学硕士学位论文1前言3Hg1-xCdxTe是一种具有强自旋轨道耦合(SOC)的半导体，且CdTe和HgTe有着“相反”的能带结构（图1-2b），将HgTe和CdTe做成量子阱结构，这样就可以在两种能带结构中进行连续调节[19]（图1-2a）。研究发现，当HgTe层的厚度小于临界值6.3纳米时，量子阱中的束缚电子态与正常能带的电子态一样，当其厚度大于6.3纳米，量子阱中的能带就会发生反转。随着量子自旋霍尔效应在大量的二维拓扑绝缘体中被发现，人们开始研究三维拓扑态，自2005年开始，C.L.Kane[16]、J.E.Moore[20]和R.Roy[21]研究组陆续提出了三维的拓扑概念。他们使用拓扑不变量Z2来描述系统空间的拓扑性质，通常使用四个Z2（一个强Z2不变量和三个弱Z2不变量）不变量描述三维拓扑态，这种方式下的拓扑绝缘体同时具有无能隙的表面态和绝缘的体态。对于其他受到强自旋轨道耦合作用下的二维材料和三维强拓扑绝缘体材料，它们有着非常稳健的体态，具有强的抗干扰特性[16]。(a)(b)图1-3ARPES测得Bi0.9Sb0.1单晶的电子结构[23](a)沿布里渊区空间中y方向；(b)沿z方向2007年，傅亮教授和C.L.Kane研究组率先通过理论计算预言合金Bi1-xSbx、ɑ相的Sn单晶以及单轴应力作用下的HgTe可能是三维拓扑绝缘体(TIs)[22]。随后，D.Heish研究组合成了第一个3D拓扑绝缘体Bi0.9Sb0.1，并通过高分辨率的角分辨光电子能谱(ARPES)来测量材料的体布里渊区内沿不同方向动量空间的电子能带色散关系[23]，如图1-3(a-b)分别是沿y,z方向得到的测量结果，在距离费米
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