拓?fù)洳牧蠁尉L(zhǎng)和磁電輸運(yùn)性質(zhì)的研究
發(fā)布時(shí)間：2018-01-02 21:09
本文關(guān)鍵詞：拓?fù)洳牧蠁尉L(zhǎng)和磁電輸運(yùn)性質(zhì)的研究 出處：《中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院物理研究所)》2017年博士論文 論文類型：學(xué)位論文
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【摘要】：自從拓?fù)浣^緣體被發(fā)現(xiàn)以來,拓?fù)洳牧弦云洫?dú)特的能帶結(jié)構(gòu)與新奇的物理性質(zhì)吸引了研究人員廣泛的關(guān)注。到目前為止,已發(fā)現(xiàn)的拓?fù)洳牧习凑漳軒ЫY(jié)構(gòu)的不同可以分為拓?fù)浣^緣體和拓?fù)浒虢饘賰纱箢�。拓�(fù)浣^緣體具有絕緣的體態(tài)和導(dǎo)電的表面態(tài)。受時(shí)間反演對(duì)稱性的保護(hù)和自旋-軌道耦合作用的影響,拓?fù)浣^緣體的表面態(tài)上存在具備線性色散關(guān)系的無耗散輸運(yùn)的載流子,因而拓?fù)浣^緣體中存在豐富的物理特性并具有廣泛的應(yīng)用前景。最近,第一性計(jì)算原理預(yù)言了一類新的拓?fù)洳牧稀負(fù)浒虢饘俚拇嬖凇Ｍ負(fù)浒虢饘俚捏w態(tài)中存在具備線性色散關(guān)系的Dirac錐或Weyl錐,表面態(tài)為連接一對(duì)Dirac/Weyl錐的費(fèi)米弧。很快,這一預(yù)言得到了大量的實(shí)驗(yàn)證實(shí)。到目前為止,已發(fā)現(xiàn)的Dirac半金屬主要包括Cd3As2、Na3Bi等,而Weyl半金屬中數(shù)TaAs家族研究得較為透徹。由于拓?fù)浒虢饘僦歇?dú)特的能帶結(jié)構(gòu),這些材料常常具備很多非同尋常的輸運(yùn)性質(zhì),如:極大磁電阻特性、磁場(chǎng)誘導(dǎo)的金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變、高載流子遷移率、手性反常導(dǎo)致的負(fù)磁阻行為、拓?fù)浞瞧接沟腂erry相位等。在本論文中,我們系統(tǒng)地研究了TaAs、HfTe_5和灰砷等拓?fù)洳牧显诘蜏叵碌拇泡斶\(yùn)性質(zhì)。其中,TaAs是最早被實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的Weyl半金屬,我們最早通過實(shí)驗(yàn)證明了TaAs中非平庸的拓?fù)涮匦?測(cè)量結(jié)果與第一性原理計(jì)算預(yù)期的Weyl半金屬態(tài)相一致。通過研究TaAs中的拓?fù)湫再|(zhì),我們首次證實(shí)了Weyl半金屬和Weyl費(fèi)米子的存在。HfTe_5是一種良好的熱電材料,此外,HfTe_5在50-90K附近存在類似金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變。我們通過輸運(yùn)實(shí)驗(yàn)證明了該轉(zhuǎn)變與拓?fù)湎嘧冇嘘P(guān),且在轉(zhuǎn)變溫度附近HfTe_5處于Dirac半金屬態(tài)。我們發(fā)現(xiàn)灰砷中存在極大磁電阻性質(zhì)�；魻栃�(yīng)的研究結(jié)果表明,灰砷中的極大磁電阻行為可以用載流子補(bǔ)償機(jī)制解釋。此外,輸運(yùn)測(cè)量結(jié)果還表明低溫下灰砷極有可能是Dirac半金屬。本論文共分為以下四章:第一章按照能帶結(jié)構(gòu)和發(fā)現(xiàn)的時(shí)間順序?qū)ν負(fù)洳牧献隽撕?jiǎn)要概述。然后介紹了材料在低溫下常見的磁輸運(yùn)性質(zhì),著重介紹拓?fù)洳牧系妮斶\(yùn)特性。最后對(duì)單晶生長(zhǎng)方法作了簡(jiǎn)要的概述。第二章介紹了最早被發(fā)現(xiàn)的Weyl半金屬TaAs材料單晶的磁輸運(yùn)性質(zhì)。第一性原理計(jì)算結(jié)果顯示TaAs可能是Weyl半金屬,其中存在無質(zhì)量的Weyl費(fèi)米子。我們通過化學(xué)氣相輸運(yùn)法生長(zhǎng)了高質(zhì)量的TaAs單晶,并研究了其在低溫下的輸運(yùn)性質(zhì)。測(cè)試結(jié)果顯示在低溫下當(dāng)電流與磁場(chǎng)方向垂直時(shí)出現(xiàn)了極大的磁電阻,當(dāng)電流與磁場(chǎng)方向平行時(shí)出現(xiàn)了由于手性反常導(dǎo)致的負(fù)磁阻效應(yīng)�；魻栃�(yīng)的研究結(jié)果表明TaAs中同時(shí)存在不同濃度的高遷移率的電子和空穴。Sd H振蕩分析結(jié)果表明TaAs中存在非常小的費(fèi)米面,其中存在拓?fù)浞瞧接沟妮d流子。所有的輸運(yùn)測(cè)試結(jié)果均支持TaAs是Weyl半金屬這一理論預(yù)期。第三章介紹了拓?fù)洳牧螲fTe_5的單晶在不同溫度下的磁輸運(yùn)性質(zhì)。HfTe_5中存在溫度誘導(dǎo)的金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變,R-T曲線在50K-90K附近存在異常的“鼓包”,這一異常特征在幾十年中得不到合理解釋。近來,第一性原理計(jì)算結(jié)果表明HfTe_5塊體材料處于強(qiáng)拓?fù)浣^緣體-弱拓?fù)浣^緣體的量子臨界狀態(tài)。我們使用化學(xué)氣相輸運(yùn)法生長(zhǎng)了高質(zhì)量的HfTe_5單晶,并測(cè)試了其在不同溫度下的磁輸運(yùn)性質(zhì)。結(jié)果表明HfTe_5單晶中存在溫度誘導(dǎo)的拓?fù)湎嘧?且僅在特征溫度TP附近為Dirac半金屬。在第四章中,我們系統(tǒng)地介紹了極大磁電阻材料灰砷中的磁輸運(yùn)性質(zhì)。我們?cè)诨疑橹邪l(fā)現(xiàn)了極大磁電阻效應(yīng)。到目前為止,灰砷中的磁阻僅次于鉍。進(jìn)一步的研究結(jié)果表明灰砷中的極大磁電阻效應(yīng)與載流子補(bǔ)償機(jī)制有關(guān)。此外,我們發(fā)現(xiàn)灰砷的體能帶中存在拓?fù)浞瞧接沟妮d流子。在低溫下,當(dāng)電流與磁場(chǎng)方向平行時(shí),灰砷中存在由于手性反常導(dǎo)致的負(fù)磁阻效應(yīng)。所有的輸運(yùn)結(jié)果表明灰砷很有可能是Dirac半金屬。論文的最后部分是總結(jié)和展望,概述了本論文的研究成果和意義,以及對(duì)今后工作的展望。
[Abstract]:Since topological insulators have been discovered , topological materials have attracted extensive attention from the researchers in terms of their unique energy band structure and physical properties . So far , the topological properties of the topological materials have been investigated . This anomalous feature is not reasonably explained in several decades . Recently , the first principle calculation results show that the HfTe _ 5 bulk material is in the quantum critical state of the strong topological insulator - weak topological insulator . In the fourth chapter , we systematically introduce the magnetic transport property of high quality HfTe _ 5 single crystal .
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院物理研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：O469
【參考文獻(xiàn)】
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3 王世光;傳導(dǎo)電子的弱局域化現(xiàn)象[J];物理;1990年10期
，本文編號(hào)：1370909
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