拓扑半金属与La3Ir3O11的单晶生长及新奇量子输运现象研究

论文摘要

强自旋轨道耦合作为一种不可忽视的作用项,对于材料的能带结构,磁结构等诸多物性产生了重要影响。近年来,在一些具有强自旋轨道耦合作用的材料中发现了许多新奇的量子物态,如量子自旋液体、拓扑绝缘态等。此外,电荷密度波（CDW）作为集体激发模式,一直被人们广泛研究,特别在体系存在多种相互作用时,电荷密度波的演化规律以及与其它相互作用的联系值得我们不断探索。本文对几种典型的强自旋轨道耦合材料的样品生长和电磁输运行为进行了研究,这些材料包括TaP、La3IrO11、MoP以及TaSe3。论文分为以下六个章节:第一章首先介绍了自旋轨道耦合的定义及分类;接着介绍了具有强自旋轨道耦合作用的一些新奇材料,包括拓扑材料以及自旋轨道耦合Mott绝缘体这两类;随后介绍了强自旋轨道耦合作用诱导的自旋霍尔效应;最后介绍了电荷密度波的机制及其应用。第二章介绍了关于Weyl半金属TaP的平面霍尔效应（PHE）研究。结果表明TaP的巨大的PHE和各向异性磁阻（AMR）主要来源于大的各向异性的轨道磁阻而非手性反常。同时TaP高迁移率引起的显著电流注入效应不仅扭曲了平面霍尔电阻ρyx和纵向磁阻ρxx的曲线形貌,而且引入AMR测量中的独特双峰以及负电阻现象。第三章研究了新颖的铱氧化物La3Ir3O11的低温物性,我们发现了其由于自旋轨道耦合作用驱动的绝缘行为,其能隙的大小约为34 meV。2 K以上的磁化率以及比热测量结果都验证其处于磁无序状态,进一步的磁性测量表现出多种反常特征:低温下的居里-外斯行为、70 K以上的磁化率线性上升以及高温500 K处的鼓包。我们通过DFT计算解释了体系的绝缘行为,并考虑最近邻以及次近邻的相互作用,采用量子自旋模型很好地解释了上述的磁化率反常特征。第四章介绍了利用自旋泵浦原理,在拓扑半金属MoP/Py双层膜中的逆自旋霍尔效应。结果表明室温下MoP的自旋霍尔角约为0.0031,并具有巨大的自旋霍尔电导4.5562× 104（Ω m）-1。随后我们通过逆自旋霍尔效应的面外转角测试,发现其电压信号存在特殊的角度依赖关系,表明其逆自旋霍尔效应可能主要由表面费米弧贡献。第五章详细介绍了 TaSe3纳米线的生长、电输运、磁化率以及拉曼光谱的研究。我们在国际上第一次从实验上发现了在300 nm宽度的TaSe3纳米线中的CDW转变。详细的拉曼光谱结果表明出现CDW转变的原因是由于维度减少而共同增强的电声耦合与准一维特性。第六章为全文的总结与展望。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
•   1.1 引言
•   1.2 自旋轨道耦合的定义以及分类
•   1.3 拓扑材料研究现状
•     1.3.1 量子自旋霍尔绝缘体
•     1.3.2 二维拓扑绝缘体
•     1.3.3 三维拓扑绝缘体
•     1.3.4 三维拓扑半金属
•   1.4 自旋轨道耦合Mott绝缘体
•     1.4.1 Mott绝缘体
• eff=1/2 Mott模型'>    1.4.2 J_eff=1/2 Mott模型
•     1.4.3 Kitaev材料
•     1.4.4 几何阻挫的量子自旋液体材料
•   1.5 自旋霍尔效应
•     1.5.1 自旋霍尔与逆自旋霍尔效应
•     1.5.2 自旋泵浦
•   1.6 电荷密度波（CDW）简介
•     1.6.1 CDW的机制
•     1.6.2 CDW的表现形式
•     1.6.3 CDW与超导的关系
•     1.6.4 CDW的调控
•     1.6.5 CDW材料的应用
•   参考文献
• 第2章 Weyl半金属TaP的平面霍尔效应研究
•   2.1 引言
•   2.2 样品制备与测量方法
•   2.3 实验数据分析及讨论
•     2.3.1 样品的表征
•     2.3.2 磁性的测量
•     2.3.3 平面霍尔效应分析
•     2.3.4 电流注入效应分析
•   2.4 本章小结
•   参考文献
• 3Ir₃O₁₁的基本物性研究'>第3章 铱氧化物La₃Ir₃O₁₁的基本物性研究
•   3.1 引言
•   3.2 样品制备及实验方法
•   3.3 实验结果分析与讨论
•     3.3.1 晶体表征
•     3.3.2 电输运测量
•     3.3.3 磁性分析
•     3.3.4 DFT计算
•     3.3.5 磁化率理论模型
•   3.4 本章小结
•   参考文献
• 第4章 拓扑半金属MoP薄膜的逆自旋霍尔效应研究
•   4.1 引言
•   4.2 薄膜制备与测试方法
•   4.3 数据结果分析
•     4.3.1 结构表征
•     4.3.2 TEM测试分析
•     4.3.3 XPS分析
•   4.4 自旋泵浦以及逆自旋霍尔现象
•   4.5 MoP中ISHE机制的探讨
•   4.6 本章小结
•   参考文献
• 3纳米线的电荷密度波研究'>第5章 准一维TaSe₃纳米线的电荷密度波研究
•   5.1 引言
•   5.2 实验方法和测量
•   5.3 实验结果分析与讨论
•     5.3.1 形貌表征
•     5.3.2 电输运测量
•     5.3.3 变温拉曼测试
•     5.3.4 磁性分析与霍尔电阻测量
•   5.4 本章小结
•   参考文献
• 第6章 总结与展望
• 致谢
• 在读期间发表的学术论文与取得的研究成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 杨军

导师: 张昌锦

关键词: 强自旋轨道耦合,平面霍尔效应,量子自旋液体,逆自旋霍尔效应,电荷密度波

来源: 中国科学技术大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 物理学,化学,材料科学

单位: 中国科学技术大学

分类号: O78;O469;TB383.1

DOI: 10.27517/d.cnki.gzkju.2019.000285

总页数: 130

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