Ⅱ类外尔半金属WTe2与过渡金属硫代亚磷酸盐材料MPS3的输运以及磁性研究

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近年来,关于拓扑材料的研究十分广泛。拓扑材料是指具有非平庸拓扑能带结构的一类材料。对于拓扑半金属的研究,现在已经成为了凝聚态物理的一个热门领域。近年来,人们在拓扑半金属中发现了许多奇异的物理现象,如手性反常诱导的负磁阻、极大的磁阻效应、超高的迁移率以及反常霍尔效应等。诸多奇异的性质使拓扑半金属具有很好的应用前景。  本论文以层状过渡金属硫族化合物WTe2和层状过渡金属硫代亚磷酸盐MPS3(M=Mn,Ni,Fe)为研究对象,研究了它们的输运性质以及磁性。其中层状过渡金属硫族化合物WTe2被预言为Ⅱ类外尔半金属。我们通过对WTe2单晶的输运性质进行测量,试图寻找其极大的磁阻效应的来源。同时,我们首次在WTe2中通过平面霍尔效应的测量,从输运上给出了其拓扑性的证据。另外,理论计算显示单层的层状过渡金属硫代亚磷酸盐MPS3可能在半满的eg轨道的电子结构中具有多个狄拉克锥,因此也吸引了我们的研究兴趣。我们对一系列MPS3磁性方面的测量结果显示其在低温下均为反铁磁材料。  本论文一共分为以下几章:  第一章对拓扑材料做了一个简单的概述,从拓扑绝缘体到拓扑半金属。然后介绍了一些低温下材料的一些磁输运性质,为后文讨论Ⅱ类外尔半金属WTe2的不饱和极大的磁阻提供了研究背景。  第二章着重对于Ⅱ类外尔半金属WTe2的研究进展做。主要包括关于其不饱和极大的磁阻等磁输运、高压相变以及拓扑非平庸态方面的最近的研究进展。  第三章针对Ⅱ类外尔半金属WTe2不饱和极大磁阻效应,研究了非化学计量比效应对Ⅱ类外尔半金属WTe2磁阻的影响。自然生长样品的碲缺位只有很少的差别,而退火会导致碲的缺位增加。在测量它们的磁阻和霍尔电阻率,并通过两载流子模型分析之后,我们从拟合结果看到巨磁阻效应对剩余电阻率也就是偏离化学计量比的程度有很强的依赖关系。电子型掺杂不仅会打破电子空穴载流子的平衡,同时也会降低平均迁移率。因此,补偿效应以及超高的迁移率可能就是WTe2不饱和巨大磁阻的主要原因。  第四章介绍了我们首次在Ⅱ类外尔半金属WTe2中观测到了平面霍尔效应。通过对分析实验数据,我们认为测量到的平面霍尔效应就是来源于外尔费米子带来的手性反常。外尔半金属中负磁阻难以测量,但是平面霍尔效应却很明显并且很容易就被探测到。因此我们认为平面霍尔效应是一个探测拓扑半金属拓扑性的一个有效的输运手段,尤其是对于Ⅱ类外尔半金属。  第五章中,我们介绍了采用化学气相输运的方法生长了一系列的MPS3(M=Mn,Fe,Ni)单晶样品的磁性测量结果。MPS3单晶样品在低温下均为反铁磁性。当磁场平行于面内时,磁化率—温度曲线在奈尔点以上存在一个较宽的峰值,可能与准二维磁交换导致的短程序有关。此前理论与实验结果显示该体系具有宽带隙,电阻率也很大。这些现象表明MPS3体系是一个很好的研究二维材料磁性和介电性质的平台。  在论文的最后,我们做了一个简单的总结,并对未来的工作做出了进一步的展望。
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