拓扑半金属PtBi2体系的磁输运特性研究

摘要

近几年拓扑半金属的兴起使得能带的拓扑分类由拓扑绝缘体拓展到了金属，拓扑半金属的低能态电子激发符合狄拉克方程，导致其呈现出许多新奇的物理性质，比如超高的载流子迁移率，巨大的磁阻和外场下的手性异常等，因此拓扑半金属的研究不仅具有重要的科学意义，还将为开发能耗更低、集成度更高、功能更强的电子器件提供全新的材料基础。随着研究的不断深入，拓扑半金属可以进一步划分为狄拉克半金属，外尔半金属，节线半金属以及三重简并半金属等。寻找新的拓扑半金属材料并对其磁输运性质进行研究也成了凝聚态物理领域的研究热点。本论文以立方晶系PtBi2和三角晶系PtBi2为研究对象，从单晶块材合成，物理表征，磁输运测量等方面对其进行了系统而全面的研究。具体研究内容和创新性成果概括如下:
　　(1)通过自助溶剂法合成出高质量的立方晶系PtBi2单晶样品，并对其进行了强磁场下量子输运性能研究。结果发现在33T强磁场下，其磁阻高达1.12×107％且没有达到饱和，该结果超过目前已知的其他拓扑半金属材料。通过分析样品强磁场下的舒伯尼科夫-德哈斯(Shubnikov-de Haas)量子振荡实验研究发现，立方晶系PtBi2表现出高载流子迁移率(～105cm2V-1S-1)和较小的有效质量，而且存在非平庸的贝里相位，而这些都是拓扑半金属所具有的指纹特性。进一步通过第一性原理方法进行能带计算和分析，发现立方晶系PtBi2具有非平庸的能带结构和线性色散的狄拉克点，且费米面附近存在三种有效质量不同的载流子，与实验结果一致。同时其磁化强度表现出很强的德哈斯-范阿尔芬(de Haas-van Alphen)振荡，分析得到其有效质量，非平庸的贝利相位和三维费米面结构，与量子输运结果一致。从而证实了立方晶系PtBi2是一种新的拓扑半金属材料。
　　(2)从第一性原理从头计算法出发，对PtBi2体系的另一种结构相-三角晶系PtBi2进行了能带计算和分析。能带计算发现三角晶系PtBi2费米能级附近具有多达六个费米口袋，其中两个具有非平庸的拓扑结构，更重要的是在其布里渊区C3z转动轴H-K和（-H）-(-K)方向发现了一对受拓扑保护的三重简并的狄拉克点。然后用自助溶剂法合成出高质量的三角晶系PtBi2单晶样品并进行强磁场下量子输运测量和磁测量，发现三角晶系PtBi2同样表现出巨大的非饱和磁阻和很强的各向异性“蝴蝶”状磁阻，通过分析观察到的舒伯尼科夫-德哈斯量子振荡和德哈斯-范阿尔芬效应，傅里叶变换得到了六个特征频率，其中两个低频对应的费米口袋具有较小的有效质量和非平庸的贝利相位，与理论计算相符合。得出结论:三角晶系PtBi2中极有可能存在三重简并的费米子，是一种新的三重简并半金属。
　　(3)三角晶系PtBi2是由范德瓦尔斯力结合的二维层状材料，通过机械剥离的方法把三角晶系PtBi2单晶厚度降低到纳米尺度，并利用电子束曝光的技术制备出PtBi2纳米器件并进行磁输运性质研究。结果发现PtBi2纳米带表现出与三维单晶材料不同的载流子特性，这可能是尺寸效应调控其费米能级高度所致。同时其磁阻表现出明显的弱反局域化现象，说明三角晶系PtBi2存在很强的自旋轨道耦合，其弱反局域化效应可能主要源于样品体态的贡献。除此之外，与单晶块材相比，PtBi2纳米带的磁阻各向异性减弱，角度依赖的“蝴蝶”状磁阻消失，也没有观察到明显的舒伯尼科夫-德哈斯量子振荡信号。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 拓扑半金属简介

1．1．1 狄拉克半金属和外尔半金属

1．1．2 节线半金属

1．1．3 三重简并半金属

1．2 拓扑半金属中的量子现象

1．2．1 量子振荡

1．2．2 弱局域化和弱反局域化效应

1．3 本论文主要研究内容

第2章 PtBi2单晶合成和表征及微纳米器件制备

2．1 立方晶系PtBi2单晶合成及表征

2．2 三角晶系PtBi2单晶合成及表征

2．3 三角晶系PtBi2微纳米器件制备

第3章 立方晶系PtBi2量子输运性质及磁性

3．1 立方晶系PtBi2的量子输运性质

3．1．1 磁场诱导的类金属绝缘体转变

3．1．2 巨大正磁阻和拓扑非平庸的能带结构

3．1．3 双载流子补偿机制

3．1．4 三维费米面结构

3．2 立方晶系PtBi2的磁性

3．2．1 有效质量和非平庸的贝利相位

3．2．2 三维拓扑能带结构

3．3 本章小结

第4章 三角晶系PtBi2量子输运性质及磁性

4．1 三重简并费米子

4．2 量子输运性质及磁性

4．2．1 各向异性的巨磁阻和拓扑非平庸的能带

4．2．2 dHvA效应及δ带

4．2．3 各向异性的三维费米面结构

4．2．4 双带模型的霍尔效应

4．3 理论计算电子能带结构

4．3．1 三重简并的多带结构

4．3．2 各向异性巨磁阻的理论解释

4．4 本章小结

第5章 三角晶系PtBi2微纳米器件的输运性质研究

5．1 PtBi2纳米条带中的弱反局域化现象

5．2 PtBi2纳米条带中各向异性输运性质

5．3 本章小结

第6章 总结与展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果