反鐵磁半金屬GdSb中極大磁電阻效應(yīng)研究

宋金軍，唐 昉，周 葦，房 勇，于海林，韓志達(dá)，錢 斌，江學(xué)范

（常熟理工學(xué)院 物理與電子工程學(xué)院，江蘇 常熟 215500）

磁電阻材料即電阻在磁場(chǎng)作用下發(fā)生變化的材料，因其在自旋電子器件方面潛在的應(yīng)用價(jià)值，已經(jīng)成為基礎(chǔ)研究和應(yīng)用基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的熱門課題之一.早先，包括巨磁電阻、龐磁電阻、隧穿磁電阻在內(nèi)的各色各樣的磁電阻效應(yīng)已被深入研究［1-3］.然而，為了獲得更大的、非尋常的磁電阻效應(yīng)，兩種截然不同的、可產(chǎn)生極大磁電阻的思路被提出.一種思路是尋找低能電子具有線性色散關(guān)系的材料［4］.零磁場(chǎng)下，拓?fù)潆娮討B(tài)的背散射被完全抑制，載流子將具有高遷移率及遷移壽命比量子壽命長(zhǎng)得多等性質(zhì).當(dāng)樣品置于磁場(chǎng)中，拓?fù)浔Ｗo(hù)將不再起作用，從而出現(xiàn)大的磁電阻.這種情況在新發(fā)現(xiàn)的狄拉克半金屬Cd3As2和Na3Bi、外爾半金屬（W，Mo）Te2，NbP，NbAs和TaAs得到驗(yàn)證——大到不可預(yù)見(jiàn)的磁電阻及獨(dú)特的量子輸運(yùn)現(xiàn)象［5-8］.極大磁電阻的另一種獲得途徑源于電子-空穴補(bǔ)償.半經(jīng)典模型預(yù)言電子-空穴完全補(bǔ)償將會(huì)導(dǎo)致正的磁電阻MR=（ρ（H）-ρ0）/ρ0=μeμhH2，其中ρ（H）和ρ0分別為磁場(chǎng)和零磁場(chǎng)下的電阻率，μe和μh是電子和空穴的遷移率［9］.由于電子-空穴完全補(bǔ)償或者近似完全補(bǔ)償通?？梢栽诙鄮О虢饘僦杏^測(cè)到，因此這一結(jié)論給了那些具有高遷移率、不飽和的磁電阻一個(gè)合理的解釋.比如說(shuō)，Shen等人認(rèn)為2 K及9 T下NbAs2中不飽和的巨大磁電阻（MR=8 000%）可以歸結(jié)為該材料具有體積相同的兩個(gè)電子帶和兩個(gè)空穴帶.此外，像石墨、鉍、半赫斯勒LuPtBi、結(jié)線型半金屬CaTX（T=Ag，Cd；X=As，Ge）以及第二類外爾半金屬WTe2的極大磁電阻都可以通過(guò)這一模型解釋［10-14］.值得注意的是，CaTX（T=Ag，Cd；X=As，Ge）和WTe2中，兩種機(jī)制都起作用，說(shuō)明半金屬中磁電阻的來(lái)源還是充滿爭(zhēng)議的.

最近，RSb和RBi（R=稀土）系列由于其豐富的電輸運(yùn)及磁學(xué)性質(zhì)，吸引了大量學(xué)者的注意.其中，R離子的5d軌道占主導(dǎo)作用的導(dǎo)帶底和Sb或Bi離 子 的 價(jià)帶頂在布里淵區(qū)的中心弱重疊，導(dǎo)致低的載流子濃度和半金屬特性的輸運(yùn)行為.Wu等人通過(guò)高分辨角分辨光電子能譜儀發(fā)現(xiàn)GdSb在布里淵區(qū)的τ點(diǎn)具有類似狄拉克型的電子結(jié)構(gòu)，暗示著該材料有可能具有較大的磁電阻.

為此，我們通過(guò)助溶劑法成功生長(zhǎng)出高質(zhì)量的GdSb單晶樣品，并通過(guò)超導(dǎo)量子干涉儀及綜合物性測(cè)量系統(tǒng)對(duì)其磁性及電輸運(yùn)性質(zhì)進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究［15］.電學(xué)結(jié)果（圖1）顯示GdSb零場(chǎng)電阻隨溫度線性變小呈現(xiàn)金屬導(dǎo)電性，說(shuō)明電子-聲子相互作用影響了電輸運(yùn)性質(zhì).反鐵磁有序溫度（23.4 K）附近，電阻值出現(xiàn)拐點(diǎn)，且隨溫度下降繼續(xù)降低，說(shuō)明磁無(wú)序?qū)φ麄€(gè)電阻值有著重要的貢獻(xiàn).通過(guò)施加磁場(chǎng)，GdSb的低溫電阻逐步增加，顯示出磁場(chǎng)誘導(dǎo)的絕緣體-金屬相變.實(shí)驗(yàn)表明，絕緣體-金屬相變溫度隨磁場(chǎng)逐步增加，且?guī)秾挾日扔贐1/2.

圖1 GdSb的零場(chǎng)電阻：（a）熱磁曲線；（b）不同磁場(chǎng)下的電阻溫度曲線；（c）電阻的對(duì)數(shù)隨溫度的導(dǎo)數(shù)關(guān)系；（d）logρ關(guān)于T-1的關(guān)系圖

圖2 （a）（b）不同溫度下的磁電阻；（c）2 K下磁電阻擬合數(shù)據(jù)；（d）Kohler曲線

進(jìn)一步的電輸運(yùn)測(cè)量（圖2）表明GdSb在低溫下顯示出極大的磁電阻效應(yīng)（MR=12 100%），且磁電阻效應(yīng)符合二能帶模型.此外，GdSb的電輸運(yùn)結(jié)果與Kohler準(zhǔn)則相悖，說(shuō)明該材料中不只存在一種載流子.

霍爾數(shù)據(jù)（圖3）顯示GdSb的高溫電學(xué)性質(zhì)主要受空穴支配，低溫電學(xué)性質(zhì)主要取決于電子.通過(guò)擬合發(fā)現(xiàn)，GdSb的載流子濃度大約在 1020cm-3，遷移率在104cm2·V-1·S-1量級(jí) .

角分辨磁電阻測(cè)量（圖4）發(fā)現(xiàn)GdSb具有準(zhǔn)二維的電子輸運(yùn)性質(zhì).第一性原理計(jì)算（圖5）認(rèn)為GdSb的電子結(jié)構(gòu)并不具有拓?fù)洳蛔冃?因此，GdSb中的極大磁電阻最終歸結(jié)為較高的載流子遷移率及相互補(bǔ)償?shù)碾娮涌昭舛?

圖3 霍爾電阻及載流子濃度、遷移率隨溫度的變化關(guān)系

圖4 角分辨磁電阻

圖5 GdSb的能帶結(jié)構(gòu)

本文通過(guò)助溶劑法制備具有NaCl結(jié)構(gòu)的GdSb，并深入研究了它的磁性、磁輸運(yùn)性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)該體系的磁電阻高達(dá)12 100%.霍爾效應(yīng)及第一性原理計(jì)算結(jié)果表明GdSb中具有多種載流子并且電子-空穴數(shù)目大抵相當(dāng).此外，理論計(jì)算還揭示了GdSb不具有拓?fù)湫再|(zhì)，這和Nayak等人的結(jié)論不謀而合.