發(fā)布時間：2020-08-01 18:12

【摘要】：近十幾年,拓撲電子材料的發(fā)展經(jīng)歷了繁榮的時期,已經(jīng)成為了凝聚態(tài)物理領域重要的研究方向。拓撲絕緣體、拓撲半金屬以及其他多種新型拓撲物態(tài)的發(fā)現(xiàn)及研究,開辟了在固體材料中尋找奇異費米子的新領域。目前,對于拓撲電子材料的研究,已經(jīng)形成了理論預言-材料制備-實驗驗證的模式,其中,單晶生長成為了材料制備環(huán)節(jié)中最核心的組成部分。本文中,通過結合單晶生長、物理性質(zhì)測量及角分辨光電子能譜(ARPES)等測量手段,對幾種新的拓撲電子材料的物相結構、電學和磁學輸運性質(zhì)以及電子能帶結構進行了詳細闡述。主要包括以下三點研究成果:1.發(fā)現(xiàn)了新的類狄拉克半金屬的材料EuMnSb_2,并成功制備了其單晶樣品。通過研究發(fā)現(xiàn),不同于EuMnBi_2以及其他AMnPn_2(A=Ca,Sr or Ba,Pn=Sb,Bi)等狄拉克半金屬候選材料中存在的Sb或Bi四方格子層,EuMnSb_2中的Sb形成的是zig-zag畸變的正交格子。比熱及磁性測量顯示在~20 K存在一個A型反鐵磁相變。電阻測量顯示在~25 K附近出現(xiàn)寬峰,并且隨著外磁場增加,寬峰被壓制并向高溫移動。磁阻測量顯示不同于其他AMnPn_2家族的材料,EuMnSb_2在很寬的溫區(qū)內(nèi)表現(xiàn)為巨大的負磁阻率,在溫度為2 K,外磁場為9 T的條件下可達-95%。我們的實驗測量雖然沒有給出EuMnSb_2狄拉克半金屬的實驗證據(jù),但為研究材料中電荷和自旋之間的關聯(lián)作用提供了新的實驗對象。2.生長出了高質(zhì)量的TiB_2單晶材料,并對其晶體結構進行了確認。借助ARPES,系統(tǒng)測量了TiB_2的電子能帶結構信息。發(fā)現(xiàn)在布里淵區(qū)內(nèi)互為直角的k_z=0以及k_x=0兩個平面上,存在兩種節(jié)點環(huán)形的費米面。這兩種節(jié)點環(huán)結構沿著(38)-K方向相互連接,形成節(jié)點鏈型的費米面結構。此外,測量的到了其(001)面上由Ti-和B-截止面組成的共同表面態(tài),這和理論計算的結果一致,給出了狄拉克型表面態(tài)存在的實驗證據(jù)。TiB_2中的表面態(tài)不同于常規(guī)的節(jié)點線材料中出現(xiàn)的鼓膜型的表面態(tài),而是狄拉克型的表面態(tài),這豐富了拓撲電子物態(tài)的構成。3.成功生長了高質(zhì)量的KHgSb、ZrSiS和EuCd_2As_2等單晶材料,對其晶體結構和基本物理性質(zhì)進行了測量,并利用ARPES對其電子能帶結構進行了測量。證明了在拓撲晶體絕緣體KHgSb單晶材料中存在“沙漏費米子”這一奇特的表面態(tài);證明了在ZrSiS的體態(tài)能帶中不僅存在的節(jié)點線型電子結構,而且還存在節(jié)點面型的電子結構;證明了在EuCd_2As_2材料的順磁態(tài)中,由于強鐵磁自旋漲落誘導下能帶發(fā)生劈裂,從而導致外爾錐能帶結構的形成。這些工作拓寬了人們對于新型拓撲電子態(tài)的認識。如今,拓撲材料以及拓撲物態(tài)的發(fā)展和研究進入了新的篇章,“固體宇宙”概念的提出和“拓撲詞典”的建立正在掀起新一輪的研究熱潮。
【學位授予單位】：中國科學院大學(中國科學院物理研究所)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：O469
【圖文】：

旋霍爾效應示意圖。紅色和藍色小球表示不同運動方向的電子。。圖片來自文獻[7]。hematic picture of quantum spin Hall effect. Red and Blue ballhannels with different flowing orietations. Arrows are spin direce different conductance chennals. Figure comes from refereces[7].中測量到的表面態(tài)。白色直線為體態(tài)能帶的投影，紅色虛

.自旋霍爾效應示意圖。紅色和藍色小球表示不同運動方向的電子。箭向。圖片來自文獻[7]。Schematic picture of quantum spin Hall effect. Red and Blue balls channels with different flowing orietations. Arrows are spin directio the different conductance chennals. Figure comes from refereces[7].

拓撲材料單晶生長及物性研究緊接著，D. Hsieh 等人在 Bi1-xSbx合金中觀測到了含有狄拉克型表面態(tài)的絕緣體態(tài)，如圖 1.2 所示，在體能帶的能隙中，清晰地測量到了表面態(tài)，這撲絕緣體的一個重要特征[13]。但是由于 Bi1-xSbx合金晶體中可能存在的由于導致的無序行為，且本身能帶比較復雜，并不是理想的實驗測量對象。

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本文編號：2777817