拓扑材料单晶生长及物性研究

论文摘要

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EuMnSb2,并成功制备了其单晶样品。通过研究发现,不同于EuMnBi2以及其他AMnPn2（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,EuMnSb2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AMnPn2家族的材料,EuMnSb2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EuMnSb2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TiB2单晶材料,并对其晶体结构进行了确认。借助ARPES,系统测量了TiB2的电子能带结构信息。发现在布里渊区内互为直角的kz=0以及kx=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。TiB2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EuCd2As2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EuCd2As2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。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 拓扑材料的发展概述
•     1.1.1 拓扑绝缘体
•     1.1.2 拓扑半金属
•   1.2 单晶及单晶生长
•     1.2.1 单晶生长的基本原理
•     1.2.2 单晶生长的方法
•     1.2.3 单晶物相的表征
•   1.3 本章小结
• 2的单晶生长及物性测量'>第2章 EuMnSb₂的单晶生长及物性测量
•   2.1 研究背景及目的
•   2.2 单晶生长及测试方法
•     2.2.1 单晶生长过程
•     2.2.2 晶体结构及化学成分测量
•     2.2.3 物理性质测量
• 2的结构及物理性质分析'>  2.3 EuMnSb₂的结构及物理性质分析
•     2.3.1 晶体结构及化学成分分析
•     2.3.2 磁性分析
•     2.3.3 比热性质分析
•     2.3.4 电输运性质分析
•   2.4 本章小结
• 2的晶体生长及物性测量'>第3章 TiB₂的晶体生长及物性测量
•   3.1 研究背景及目的
•   3.2 单晶生长及物相分析
•     3.2.1 单晶生长过程
•     3.2.2 晶体结构及化学成分表征
•   3.3 物理测量及分析
•     3.3.1 电输运性质测量
•     3.3.2 电子能带结构测量及分析
•   3.4 本章小结
• 第4章 其他拓扑材料单晶生长及物性研究
•   4.1 KHgSb的单晶生长及物性研究
•     4.1.1 研究背景
•     4.1.2 单晶生长方法
•     4.1.3 结构及物相表征
•     4.1.4 电子能带结构测量及分析
•   4.2 ZrSiS单晶生长及物性研究
•     4.2.1 研究背景
•     4.2.2 单晶生长方法
•     4.2.3 结构及物相表征
•     4.2.4 电输运性质测量及分析
•     4.2.5 电子能带结构测量及分析
• 2As₂的单晶生长及物性研究'>  4.3 EuCd₂As₂的单晶生长及物性研究
•     4.3.1 研究背景
•     4.3.2 单晶生长方法
•     4.3.3 结构及物相表征
•     4.3.4 物理性质测试及分析
•     4.3.5 电子能带结构测量及分析
•   4.4 其他材料的单晶生长
• 1-xPt_xTe₂的单晶生长'>    4.4.1 Ir_1-xPt_xTe₂的单晶生长
• 3Sn₂S₂的单晶生长'>    4.4.2 Co₃Sn₂S₂的单晶生长
•   4.5 本章小结
• 第5章 总结与展望
• 参考文献
• 个人简历及发表文章目录
• 致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 伊长江

导师: 石友国

关键词: 拓扑绝缘体,拓扑半金属,单晶生长,结构和物性研究,电子能带结构

来源: 中国科学院大学(中国科学院物理研究所)

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 中国科学院大学(中国科学院物理研究所)

分类号: O469

总页数: 126

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