层状过渡金属化合物SrCdBi2与YbMnSb2单晶生长及物性研究

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拓扑材料因此新奇的物理性质而引起人们广泛的研究,是凝聚态物理领域研究的热点之一。按照能带结构的不同,拓扑材料可以分为拓扑绝缘体、拓扑半金属,而拓扑半金属又可以分为狄拉克半金属、外尔半金属以及拓扑节线半金属,其中,狄拉克半金属的电子输运性质遵循狄拉克方程,其体态中存在具备线性色散关系的狄拉克锥,表面态为连接一对狄拉克锥的费米弧,表现出异于普通材料的非平庸物理性质,在自旋电子器件、量子计算机等方面具有巨大的应用前景。近年来,实验与理论研究表明,112型锰基Sb/Bi化物AMnX2(A=Ca/Sr/Ba/Eu;X=Sb/Bi)是新型的狄拉克半金属候选材料,主要由共边的MnX4四面体层、四方格子X原子层、以及穿插在两者之间的A原子层堆积而成,形成准二维层状结构,而狄拉克费米子可能存在于X原子层中。除此之外,112型层状Sb/Bi化物还包括一些无磁性的体系,如:SrZnSb2、BaCdSb2、BaZnBi2等,对于这类化合物的研究可以避免拓扑量子态与磁性的相互作用,从而为研究本征拓扑物性提供了更好的平台。在本论文中,我们采用自助熔剂法生长出了两种112型层状过渡金属Sb/Bi化物SrCdBi2与YbMnSb2,并系统的研究了其晶体结构、磁性以及输运性质。我们的测试结果表明SrCdBi2表现出线性不饱和磁阻、高载流子迁移率和低温下磁场诱导的金属-绝缘体转变等现象,此外,我们在YbMnSb2中观察到了量子震荡现象,这一系列非平庸的物理性质表明SrCdBi2与YbMnSb2是狄拉克半金属的候选材料,其中可能存在狄拉克费米子。本文共分为五章,具体内容如下:在第一章中,我们对几类拓扑材料做了简单介绍,包括二维拓扑绝缘体、三维拓扑绝缘体、外尔半金属和狄拉克半金属,除此之外,我们还介绍了磁阻效应、弱局域化效应、弱反局域化效应以及量子震荡等拓扑材料中常见的性质。第二章介绍了两种单晶样品的生长方法以及几种常见的材料表征手段。单晶生长方法分别为布里奇曼法与助熔剂法,而材料表征手段包括:X射线衍射、扫描电子显微镜,电输运测量、磁性测量以及比热测量。第三章对过渡金属铋化物SrCdBi2的单晶生长及物理性质做了详细介绍。我们采用Cd与Bi共助熔的自助熔剂法生长出了高质量SrCdBi2单晶,电输运测量结果表明,SrCdBi2是一个电子主导输运过程的双带体系,具有很高的载流子迁移率,电阻率随温度变化表现出金属行为,且具有准二维电子结构,在低温下,SrCdBi2出现明显的磁场诱导金属-绝缘体转变行为,除此之外,在低温强磁场下,我们还观察到了线性不饱和磁阻,这一系列非平庸的物理性质表明SrCdBi2是合适的无磁性狄拉克半金属候选材料。磁化率测试结果表明,SrCdBi2表现出弱抗磁性,在电阻率、载流子浓度测试中于210 K附近观察到的异常在磁化率测试中也可以被观测到,我们把这一异常归因于原子层间在堆积过程中造成的的短程无序或筹的形成。第四章对过渡金属锑化物YbMnSb2单晶生长及物理性质做了详细介绍。我们采用Sb作助熔剂的自助熔法生长出了YbMnSb2单晶,测试结果表明,YbMnSb2电阻率随温度变化表现出金属行为,其面内电阻率在不同的磁场方向下表现出明显的各项异性。此外,YbMnSb2是一个空穴载流子占主导的多带系统,同样具有准二维的电子结构,在340K附近发生反铁磁性相变,且易磁化轴沿c轴方向,我们在磁矩和磁阻随磁场变化曲线中分别观测到了明显的dHvA振荡与SdH振荡现象,因此,YbMnSb2是一个典型的反铁磁狄拉克半金属候选材料。在第五章中,我们对本文内容做出了总结,并对以上工作进一步的深入研究做出了展望。
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