非磁性半金屬YBi中極大磁電阻及拓?fù)潆娮咏Y(jié)構(gòu)構(gòu)建

唐 昉 ，吳子鳴 ，林如龍 ，房 勇 ，b，韓志達(dá) ，b，錢 斌 ，b，江學(xué)范 ，b

（常熟理工學(xué)院 a.物理與電子工程學(xué)院；b.江蘇省新型功能材料重點(diǎn)建設(shè)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 常熟 215500）

磁電阻效應(yīng)，顧名思義就是磁場(chǎng)可以改變材料電阻的現(xiàn)象［1］. 一般來(lái)講，磁電阻效應(yīng)，比如巨磁電阻效應(yīng)、龐磁電阻效應(yīng)及隧穿磁電阻效應(yīng)等，都與磁性材料密切相關(guān)［2-4］. 最近，一類全新的拓?fù)潆娮討B(tài)-拓?fù)浒虢饘伲ú煌谕負(fù)浣^緣體）吸引了廣泛的關(guān)注. 拓?fù)浒虢饘兕愃朴谌S的石墨烯，呈展出很多全新的量子現(xiàn)象，比如極大的磁電阻、線性色散關(guān)系、無(wú)質(zhì)量的費(fèi)米子等［5-6］. 據(jù)報(bào)道，等都具有極大的磁電阻效應(yīng)及非凡的物理特性［5-6］. 不同以往的是，這類材料都不含磁性離子. 非磁體系中磁電阻效應(yīng)的開發(fā)，不僅極大豐富了材料系統(tǒng)，也為全新物性的研究提供了廣闊的舞臺(tái). 本文中，我們制備了具有NaCl晶體結(jié)構(gòu)的YBi單晶，并研究其磁輸運(yùn)行為及電子能帶結(jié)構(gòu). 電輸運(yùn)及理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)其高達(dá)105%的低溫磁電阻來(lái)源于電子-空穴補(bǔ)償效應(yīng)及非平庸的電子結(jié)構(gòu).

圖1 （a）YBi的零場(chǎng)電阻隨溫度的變化關(guān)系，插圖為利用ρ=ρ0 +ATn對(duì)低溫電阻擬合；（b）不同磁場(chǎng)下電阻與溫度的變化關(guān)系；（c）不同溫度下的磁電阻隨磁場(chǎng)的變化關(guān)系，插圖為高場(chǎng)下的磁電阻-磁場(chǎng)關(guān)系；（d）不同溫度下的科勒關(guān)系

從圖1（a）中，我們發(fā)現(xiàn)YBi從2 K到300 K具有金屬導(dǎo)電行為，40 K以下電阻率符合關(guān)系的費(fèi)米液滴行為. YBi的剩余電阻比（RRR）為137（室溫和2 K時(shí)的電阻率分別為34.41 μΩ·cm和0.251 μΩ·cm），表明材料中雜質(zhì)的散射影響不大. 樣品在磁場(chǎng)作用下將出現(xiàn)類似金屬-絕緣體相變的現(xiàn)象，如圖1（b）所示. 通過(guò)測(cè)量如圖1（c）所示的不同溫度下磁電阻隨磁場(chǎng)的變化關(guān)系，我們發(fā)現(xiàn)2 K和9 T下，磁電阻達(dá)到0.8×105%，其大小比WTe2及LaSb低一個(gè)數(shù)量級(jí)，但和NdSb，PrSb等相當(dāng). 高場(chǎng)下磁電阻具有Shubnikov-de Haas （SdH）振蕩，如圖1（c）插圖所示. 科勒關(guān)系表明YBi具有多種載流子特性，如圖1（d）所示.

第一性原理計(jì)算發(fā)現(xiàn)，不計(jì)入自旋軌道耦合效應(yīng)時(shí)，三重簡(jiǎn)并的能帶穿過(guò)費(fèi)米面，產(chǎn)生一個(gè)電子帶和兩個(gè)空穴帶，見圖2（a）. 計(jì)入自旋軌道耦合效應(yīng)之后，電子能帶結(jié)構(gòu)將會(huì)發(fā)生很大的變化，其中Y-d帶和Bi-p帶在Γ和X點(diǎn)之間反轉(zhuǎn)，見圖2（b）. 根據(jù)付亮等人的方法，我們?cè)u(píng)估Z2不變量為（1；000），表明該材料具有非平庸的能帶結(jié)構(gòu).

圖3（a）表明YBi具有一個(gè)α電子帶和兩個(gè)空穴帶（β和γ），其中α電子帶由3個(gè)（α1， α2， α3）相互正交的橢球帶構(gòu)成，β和γ帶是球形的. 圖3（b）是3個(gè)子帶在（001）面的投影. 圖3（c）是α1電子帶和β、γ帶在（110）面的投影圖. 圖3（d）是β和γ帶在（111）面的投影圖. 根據(jù)費(fèi)米面結(jié)構(gòu)，大致計(jì)算可得出電子帶和空穴帶載流子的數(shù)目，其中ne=6.893×1020 cm-3， nh=6.398×1020 cm-3. 也就是說(shuō)，電子-空穴數(shù)目之比為ne/nh=1.073，說(shuō)明YBi是補(bǔ)償型半金屬. 相關(guān)結(jié)果發(fā)表于Journal of Materials Chemistry C， 6， 10020（2018）［7］.

圖2 （a）不計(jì)入SOC的能帶結(jié)構(gòu)；（b）計(jì)及SOC的能帶結(jié)構(gòu)

圖3 （a）YBi的費(fèi)米面結(jié)構(gòu)；（b） （001） 面投影；（c）（110）面投影；（d）（111）面投影