拓扑材料单晶生长及物性研究

发布时间：2020-08-01 18:12

【摘要】：近十几年,拓扑电子材料的发展经历了繁荣的时期,已经成为了凝聚态物理领域重要的研究方向。拓扑绝缘体、拓扑半金属以及其他多种新型拓扑物态的发现及研究,开辟了在固体材料中寻找奇异费米子的新领域。目前,对于拓扑电子材料的研究,已经形成了理论预言-材料制备-实验验证的模式,其中,单晶生长成为了材料制备环节中最核心的组成部分。本文中,通过结合单晶生长、物理性质测量及角分辨光电子能谱(ARPES)等测量手段,对几种新的拓扑电子材料的物相结构、电学和磁学输运性质以及电子能带结构进行了详细阐述。主要包括以下三点研究成果:1.发现了新的类狄拉克半金属的材料EuMnSb_2,并成功制备了其单晶样品。通过研究发现,不同于EuMnBi_2以及其他AMnPn_2(A=Ca,Sr or Ba,Pn=Sb,Bi)等狄拉克半金属候选材料中存在的Sb或Bi四方格子层,EuMnSb_2中的Sb形成的是zig-zag畸变的正交格子。比热及磁性测量显示在~20 K存在一个A型反铁磁相变。电阻测量显示在~25 K附近出现宽峰,并且随着外磁场增加,宽峰被压制并向高温移动。磁阻测量显示不同于其他AMnPn_2家族的材料,EuMnSb_2在很宽的温区内表现为巨大的负磁阻率,在温度为2 K,外磁场为9 T的条件下可达-95%。我们的实验测量虽然没有给出EuMnSb_2狄拉克半金属的实验证据,但为研究材料中电荷和自旋之间的关联作用提供了新的实验对象。2.生长出了高质量的TiB_2单晶材料,并对其晶体结构进行了确认。借助ARPES,系统测量了TiB_2的电子能带结构信息。发现在布里渊区内互为直角的k_z=0以及k_x=0两个平面上,存在两种节点环形的费米面。这两种节点环结构沿着(38)-K方向相互连接,形成节点链型的费米面结构。此外,测量的到了其(001)面上由Ti-和B-截止面组成的共同表面态,这和理论计算的结果一致,给出了狄拉克型表面态存在的实验证据。TiB_2中的表面态不同于常规的节点线材料中出现的鼓膜型的表面态,而是狄拉克型的表面态,这丰富了拓扑电子物态的构成。3.成功生长了高质量的KHgSb、ZrSiS和EuCd_2As_2等单晶材料,对其晶体结构和基本物理性质进行了测量,并利用ARPES对其电子能带结构进行了测量。证明了在拓扑晶体绝缘体KHgSb单晶材料中存在“沙漏费米子”这一奇特的表面态;证明了在ZrSiS的体态能带中不仅存在的节点线型电子结构,而且还存在节点面型的电子结构;证明了在EuCd_2As_2材料的顺磁态中,由于强铁磁自旋涨落诱导下能带发生劈裂,从而导致外尔锥能带结构的形成。这些工作拓宽了人们对于新型拓扑电子态的认识。如今,拓扑材料以及拓扑物态的发展和研究进入了新的篇章,“固体宇宙”概念的提出和“拓扑词典”的建立正在掀起新一轮的研究热潮。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O469
【图文】：

旋霍尔效应示意图。红色和蓝色小球表示不同运动方向的电子。。图片来自文献[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].中测量到的表面态。白色直线为体态能带的投影，红色虚

.自旋霍尔效应示意图。红色和蓝色小球表示不同运动方向的电子。箭向。图片来自文献[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].

拓扑材料单晶生长及物性研究紧接着，D. Hsieh 等人在 Bi1-xSbx合金中观测到了含有狄拉克型表面态的绝缘体态，如图 1.2 所示，在体能带的能隙中，清晰地测量到了表面态，这扑绝缘体的一个重要特征[13]。但是由于 Bi1-xSbx合金晶体中可能存在的由于导致的无序行为，且本身能带比较复杂，并不是理想的实验测量对象。

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本文编号：2777817