第二類狄拉克半金屬NiTe2的合成及其物理性質(zhì)研究

夏 銘 ，張俊逸 ，劉森巍 ，張法盲 ，徐春強(qiáng) ，周 葦 ，許曉峰

（常熟理工學(xué)院 a.江蘇省新型功能材料重點(diǎn)建設(shè)實(shí)驗(yàn)室；b.物理與電子工程學(xué)院，江蘇 常熟 215500）

自從拓?fù)浣^緣體發(fā)現(xiàn)以來，拓?fù)洳牧嫌捎谄洫?dú)特的性質(zhì)而引起了廣泛的關(guān)注. 已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的拓?fù)洳牧现饕ㄍ負(fù)浣^緣體和拓?fù)浒虢饘賰纱箢? 其中拓?fù)浣^緣體的體態(tài)是絕緣的，而表面卻是導(dǎo)電的. 由于電子自旋-軌道的作用和時(shí)間反演對稱性的保護(hù)，在拓?fù)浣^緣體的表面上存在沒有耗散的載流子. 而拓?fù)浒虢饘偈且环N新型的拓?fù)洳牧?，拓?fù)浒虢饘俑鶕?jù)其電子能帶結(jié)構(gòu)分為狄拉克半金屬、外爾半金屬和節(jié)線半金屬等. 在狄拉克半金屬中，根據(jù)體態(tài)中存在的狄拉克錐是否傾斜將其分為第一類狄拉克半金屬和第二類狄拉克半金屬（狄拉克錐傾斜的為第二類）. 目前，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的狄拉克半金屬包括Cd3As2［1］、Na3Bi［2］、ZrTe5［3］，外爾半金屬以及節(jié)線（Nodal line）半金屬這些材料在電輸運(yùn)和磁性測量中通常都具有很奇特的物理性質(zhì)，比如較大的磁電阻、強(qiáng)磁場下的金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變、強(qiáng)磁場下電阻的SdH量子震蕩和磁化率的dHvA量子震蕩、拓?fù)浞瞧接沟呢惱锵辔灰约坝捎谑终鞣闯?dǎo)致的負(fù)磁電阻等. 正是由于這些奇特的性質(zhì)，使得拓?fù)洳牧暇哂泻芨叩难芯亢蛻?yīng)用價(jià)值.

近日，有報(bào)道稱二元硫族化合物PtTe2具有拓?fù)湫再|(zhì)，清華大學(xué)周樹云等人通過第一性原理計(jì)算和角分辨電子光譜實(shí)驗(yàn)都發(fā)現(xiàn)了PtTe2的體態(tài)電子結(jié)構(gòu)存在嚴(yán)重傾斜的狄拉克錐［12］，隨后，中科院物理所張警蕾等人發(fā)現(xiàn)了具有相同結(jié)構(gòu)的PdTe2也是第二類狄拉克半金屬［13］，PdTe2不僅具有拓?fù)湫再|(zhì)，而且該材料在2 K以下具有超導(dǎo)電性，這為拓?fù)涑瑢?dǎo)體的研究提供了研究平臺. NiTe2與PdTe2、PtTe2的結(jié)構(gòu)相同，同屬于三角晶系Pm1空間群，NiTe2雖然很早之前就被發(fā)現(xiàn)，但是卻沒有人去詳細(xì)研究它. 結(jié)構(gòu)決定物質(zhì)的性質(zhì)，所以我們猜想NiTe2可能也是拓?fù)洳牧?，我們首先合成了高質(zhì)量的NiTe2單晶，然后通過電、熱、磁等測量手段研究了其物理性質(zhì).

高質(zhì)量的NiTe2單晶是通過自助溶的方法生長的. 將高純的Ni粉末（純度99.00%，阿法埃沙）和Te塊（純度99.99%，阿拉?。┌凑漳柋?∶8稱量，總質(zhì)量5 g，混合均勻后放入石英管中并抽真空. 將抽真空的石英管放入箱式高溫爐中，升溫至950 ℃并保溫2 d.然后按照降溫速率3 ℃/h的速率將爐子溫度降到500 ℃，在500 ℃時(shí)將石英管淬火以避免500 ℃以下生成其他相，然后用離心或者輸運(yùn)的方法除去樣品表面多余的Te，最終得到具有金屬光澤的層狀單晶.

圖1 （a）晶格示意圖；（b）掃描電鏡能譜；（c）單晶XRD衍射，插圖為樣品照片；（d）多晶XRD及其精修

表1 粉末XRD精修參數(shù)

圖2 （a）不同磁場下的電阻率隨溫度的變化（2～100 K），插圖為0場下電阻率隨溫度的變化曲線（2～300 K）；（b） 樣品比熱隨溫度的變化曲線；（c） （d） 不同溫度下的磁電阻和霍爾電阻率隨溫度的變化及擬合

樣品生長出來后，首先要對其進(jìn)行基本的結(jié)構(gòu)和成分表征，以確保樣品的質(zhì)量. 如圖1（b）所示，我們挑取了一塊樣品，用掃描電子顯微鏡分析其成分. 從測量結(jié)果來看，樣品中沒有其他雜質(zhì)元素，Ni元素和Te元素的原子比為33.4∶66.6（%），非常接近1∶2. 另外，我們也對樣品進(jìn)行了X光衍射實(shí)驗(yàn). 圖1（c）和圖1（d）分別是單晶和多晶粉末的X光衍射結(jié)果.實(shí)驗(yàn)觀測到的衍射峰和理論預(yù)測完全一致，沒有出現(xiàn)其他雜峰. 對XRD數(shù)據(jù)精修得到晶格參數(shù)a=3.855 0，c=5.265 9，精修參數(shù)和結(jié)果如表1所示.

如圖2（a）所示，我們測量了NiTe2在不同磁場下的電阻率隨溫度的變化曲線. 發(fā)現(xiàn)其RRR（Residual Resistivity Ratio）高達(dá)374，說明該樣品的質(zhì)量很好，在零磁場場下，電阻率隨溫度變化曲線是金屬性行為，且低溫下出現(xiàn)了電阻率平臺. 電阻率平臺通常被認(rèn)為是拓?fù)浔砻鎽B(tài)的信號之一. 在磁場高于5 T時(shí)，電阻率隨溫度變化曲線在20 K左右出現(xiàn)極小值，隨著溫度的降低，電阻率反而增加，這種電阻率曲線中出現(xiàn)的外磁場誘導(dǎo)的金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變通常在拓?fù)洳牧现斜挥^察到. 圖2（b）是我們測量其比熱的數(shù)據(jù)，用比熱公式擬合低溫下的數(shù)據(jù)得到電子項(xiàng)系數(shù)γ=5.71 mJ/mol K2，聲子項(xiàng)系數(shù)從而得到德拜溫度為230 K. 如圖2（c）所示，我們測量了不同溫度下的磁電阻在溫度為2 K，磁場為9 T時(shí)，MR達(dá)到了將近1 300%，比報(bào)道的同結(jié)構(gòu)的PtTe2和PdTe2的MR都大了很多. 所不同的是，MR曲線可以用公式很好地?cái)M合（回旋電子部分+狄拉克電子部分）. 如圖2（d）所示，不同溫度下的霍爾曲線是非線性的，說明該材料不止一種載流子. 我們發(fā)現(xiàn)不同溫度下的霍爾曲線都可以用雙帶模型進(jìn)行擬合. 大磁電阻行為、低溫下磁場誘導(dǎo)的金屬絕緣體轉(zhuǎn)變、低溫下的雙帶行為、以及我們進(jìn)一步的第一性原理計(jì)算結(jié)果都支持NiTe2應(yīng)該是一類新型的第二類狄拉克半金屬. 這些結(jié)果發(fā)表于Chemistry of Materials， 30， 4823（2018）［14］.