Ag2Te新型二元拓?fù)浣^緣體材料碲化銀及其磁阻效應(yīng)研究獲進(jìn)展
Zui近，中科院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實(shí)驗(yàn)室方忠、戴希、翁紅明、姚裕貴等研究員取得重要研究進(jìn)展，從理論上預(yù)言Ag2Te是新型二元拓?fù)浣^緣體材料，并對其磁阻效應(yīng)進(jìn)行了研究。
拓?fù)浣^緣體是一種由自旋軌道耦合導(dǎo)致的新的量子物態(tài)：它的體內(nèi)是絕緣性的，而邊界由于具有無能隙的邊界態(tài)是金屬性的，該金屬邊界態(tài)受到拓?fù)湫再|(zhì)的保護(hù)。拓?fù)浣^緣體的重要性在于它的邊界態(tài)的自旋與動(dòng)量是緊密聯(lián)系的，一定的自旋取向就一定對應(yīng)著特定的動(dòng)量方向，不會(huì)雜亂無章，因而可以極大地減小電子散射，減小能耗。隨著拓?fù)浣^緣體研究的深入，Zui近人們又提出了幾種候選材料，例如TlBiX2 (X=Te，Se)化合物，三元Heusler合金和黃銅礦，這些都涉及三種或更多種元素，而且可能還需要額外的形變來打開體系的能隙，這使得材料合成與物性研究都變得困難。另外，到目前為止，所有已知拓?fù)浣^緣體表面的Dirac錐幾乎都是各向同性的，費(fèi)米速度也幾乎是一個(gè)常數(shù)。因此，很有必要尋找到一種具有各向異性表面Dirac錐的拓?fù)浣^緣體材料，它有助于人們進(jìn)一步理解拓?fù)浣^緣體的奇異性質(zhì)。
Ag2Te是銀硫族化合物之一，被稱為碲銀礦。高溫下高對稱性的α相在溫度降低到417 K時(shí)會(huì)發(fā)生相變，從而過渡到低對稱性的窄能隙半導(dǎo)體β相。有趣的是，在非磁的β相中人們觀察到不同尋常的巨大且非飽和線性磁阻（實(shí)驗(yàn)測量磁場變化范圍10~55000 Oe，溫度4.5～300 K)。在一般有封閉費(fèi)米面的金屬中，當(dāng)外加磁場較弱時(shí)（低場），磁阻正比于磁場強(qiáng)度H的二次方；當(dāng)外加磁場非常強(qiáng)時(shí)（高場），磁阻對磁場強(qiáng)度H的響應(yīng)會(huì)趨于飽和。β-Ag2Te中的線性且不飽和的磁阻行為與以上的傳統(tǒng)金屬理論完全不同，這導(dǎo)致Abrikosov提出的量子磁阻理論：在只有能量Zui低的Landau能級被占據(jù)，且Zui低Landau能級的間隙比觀測溫度大時(shí)，會(huì)出現(xiàn)線性磁阻效應(yīng)。滿足此量子極限條件時(shí)，磁阻隨磁場強(qiáng)度H線性變化。但一般金屬中的二次型能帶色散關(guān)系導(dǎo)致的Zui低Landau能級之間的能隙太小，不能解釋β-Ag2Te中線性磁阻效應(yīng)的磁場與溫度的對應(yīng)關(guān)系，而從無能隙的線性能譜出發(fā)可以給出合理的解釋。因而，他提出摻雜可能會(huì)導(dǎo)致無能隙線性能譜的產(chǎn)生，并認(rèn)為樣品中載流子濃度是非均勻分布的。只有這樣，樣品中才會(huì)有部分區(qū)域具有極低的載流子濃度以滿足量子極限條件。然而遺憾的是，所有的以上可能解釋都是基于一種假設(shè)，也就是材料中要有線性色散，且載流子濃度足夠低。怎么確定7000系A(chǔ)l-Zn-Mg-Cu合金凝固過程中的共晶反應(yīng)？
方忠研究組通過研究發(fā)現(xiàn)，β-Ag2Te中的線性能譜并非源于摻雜，而是因?yàn)榫哂行巫兎次炇?a href="/old_version/books/tech/jiegou.html" title="結(jié)構(gòu)" target="_blank" >結(jié)構(gòu)的β-Ag2Te是一種新的二元拓?fù)浣^緣體，它具有無能隙Dirac型表面態(tài)?；谶@種拓?fù)湫再|(zhì)，該研究組對無能隙線性能譜的產(chǎn)生提出了新的觀點(diǎn)所觀察到的異常磁阻主要源于表面或者界面的貢獻(xiàn)。由于實(shí)驗(yàn)中顆粒材料樣品的表面或界面處受拓?fù)浔Ｗo(hù)的表面態(tài)的存在，其低能激發(fā)具有線性色散性質(zhì)，這種表面態(tài)比較容易滿足量子極限條件，對載流子濃度的要求沒有像體材料那樣要求苛刻。另外，與已知Bi2Te3和Bi2Se3拓?fù)浣^緣體相比，它具有截然不同的高度各向異性的Dirac錐。此時(shí)通過旋轉(zhuǎn)晶軸，費(fèi)米速度可變化一個(gè)數(shù)量級。并且β-Ag2Te表面態(tài)的自旋方向具有平面外分量，從而為操縱電子的自旋提供了更大的自由度。
相關(guān)論文發(fā)表在Phys. Rev. Lett. 106, 156808 (2011)。該項(xiàng)研究得到了中國科學(xué)院、國家自然科學(xué)基金委、科技部國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃、重大科學(xué)研究計(jì)劃和國際科技合作計(jì)劃的支持。
來源：http://roll.sohu.com/20110617/n310532954.shtml