二元铁铝合金和多元素掺杂的铁基合金反常横向输运性质研究

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磁性材料中存在的反常霍尔效应和反常能斯特效应等反常横向输运效应受到人们的广泛关注。反常霍尔效应是由自旋轨道相互作用驱动的自旋输运现象。目前人们普遍认为反常霍尔效应来源于内禀机制、边跳机制以及斜散射机制,其中内禀机制与费米能级附近的贝利曲率有关。正立方晶体结构的磁性赫斯勒合金是一类具有时间反演对称性破缺和空间反演对称性的材料,而且该材料中被预言在相空间具有非常大的贝利曲率。Fe3Al单晶就是一种高居里温度的磁性赫斯勒合金,由于其费米能级附近存在比较大的贝利曲率,而表现出巨大的反常霍尔效应和反常能斯特效应,因此Fe3Al成为研究反常线性响应的理想平台。与单晶相比,多晶材料因其成本低、制造技术成熟、机械性能高而更值得被研究。在本文中我们研究了二元铁铝多晶合金以及多元素掺杂的铁基合金的电输运和热电输运现象,主要内容如下:1.对Fe100-xAlx(x=24、24.5、25、25.5、27)合金的反常横向输运性质进行研究,我们发现即使晶体结构都为相同的简单单相结构,铁铝合金的输运性质也会随Al元素含量x的变化而变化。实验结果表明所有样品都表现出明显的反常霍尔信号以及反常能斯特信号。在常温下所有样品的反常霍尔电阻率都大于3.4μΩcm;当x=24.5时,反常能斯特系数达到4.5μVK-1,反常横向热电导系数达到3.5 Am-1K-1,这两项的值均大于Fe3Al单晶。我们利用反常霍尔电阻率和纵向电阻率之间的幂律关系对反常霍尔效应的起源进行分析,随着x的增加,对反常霍尔效应起主导地位的机制逐渐由内禀机制向斜散射机制移动。对反常能斯特效应的分析表明x的变化使体系的费米能级发生移动。除了引入斜散射、改变费米能级的影响外,掺杂可能会使合金的磁性和晶体对称性受到影响,这些因素会阻碍节点线的形成,不能有效的增加贝利曲率,从而压制内禀机制,使反常横向输运效应变弱。2.对Cr、Co、Ni、Al共四种元素掺杂的铁基合金的反常横向输运性质进行研究,电阻率在低温段出现与近藤效应相关的上翘行为。多元素掺杂有效的抑制了声子的贡献,使反常能斯特系数和反常横向热电导系数几乎随温度线性增加。反常霍尔效应表现出与非晶玻璃类似的行为,反常霍尔电导率随温度变化不大,揭示其反常横向输运行为可能来自内禀机制。我们的研究有助于了解掺杂对磁性材料的反常横向输运性质的影响,对于二元铁铝合金,掺杂可能引入斜散射、阻碍节点线的形成等以削弱内禀机制的贡献;对于多元素掺杂的合金,掺杂可能使其输运性质与非晶玻璃相似。
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