拓扑半金属材料Sr(Mn,Zn)Sb2和ZrSiSe的物性研究

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本论文主要以两种层状拓扑半金属为研究对象,研究其中的拓扑能带结构及其对材料物理性质的影响。首先以一种磁性拓扑半金属材料SrMnSb2与另外一种可能的狄拉克材料SrZnSb2为母体,合成和表征了 SrMn1-xZnxSb2系列单晶。在磁性测量中,我们发现随着Zn含量的增加,材料的磁性由一开始的铁磁与反铁磁共存逐渐变为自旋玻璃态,最后表现为顺磁态。在输运测量的结果中,发现除了 SrZnSb2,其余组分的样品中单晶均观察到量子振荡现象。通过分析量子振荡,我们研究了其能带结构随着掺杂的系统性变化,确定了在SrMnSb2母体中存在的看似单频的峰实际上是由多个混合的相近频率的能带构成的混合能带。进一步分析快速傅里叶变换的数据与最大熵处理的数据,发现随着Zn的掺杂,有新的能带出现,这一新能带的出现意味着发生了一种电子相转变即Lifshitz相变。同时,通过角分辨光电子能谱(角分辨光电子能谱)的测量和理论计算相结合的分析,证实了在该系列材料中确实存在掺杂导致的Lifshitz相变。其次,我们对另一种层状的拓扑半金属ZrSiSe进行了研究。通过角度依赖的磁阻分析其费米面的特性。结合理论计算和量子振荡的结果,描绘出了ZrSiX(X=S,Se,Te)系列材料费米面的演化过程。本论文共分为以下几章:第一章绪论,介绍拓扑电子态的研究的发展历程。详细地阐述拓扑半金属的概念的提出;狄拉克半金属、外尔半金属和节线半金属的联系和区别。随后简单介绍了量子振荡的分析方法和能得到与能带结构相关的数据的处理。将快速傅立叶分析方法与最大熵处理的方法进行了相互比较。第二章是关于在磁性拓扑半金属材料SrMnSb2单晶中用Zn在Mn位互相掺杂,最后得到另外一种也可能为狄拉克材料的SrZnSb2。首先,我们对他们进行了 X射线衍射(XRD)测量,并确定了其晶体朝向和晶胞参数的大小。接着,我们又利用X射线能量色散谱对其元素成分进行了分析,确定其元素成分。最后,我们测量了材料的磁性,发现并研究了其中磁性的演化。并且利用量子振荡的变化、角分辨光电子能谱的结果和理论计算,简单的分析其费米面附近能带结构的变化,并且详细的讨论了在SrMnSb2母体的多个频率相近的费米极值的存在。第三章,通过转角的磁阻研究了 ZrSiSe单晶的费米面。我们的结果表明ZrSiSe同时拥有准二维和三维的费米面。与ZrSiS相互比较,随着自旋轨道耦合的增强,ZrSiSe低频的量子振荡表现为准二维的特性。与ZrSiTe的比较中,我们认为ZrSiTe中低频的量子振荡的消失和其二维费米面的出现是由电荷转移造成的。第四章提出了本论文的总结与展望。
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