lasb单晶的量子震荡行为研究【字数：9298】
摘 要现如今，社会已进入了快速发展的时代，而时代发展所需要的电子器件要求也是越来越高，这便使得更多奇特新颖的材料得到了广泛的关注。磁阻材料便是其中之一，这种材料的电阻在磁场下有特殊变化，因而他们在磁电子学方面具有很大的应用价值。据报道，一些拓扑半金属中的极大磁阻(XMR)，只有在打破时间反转对称时才表现出拓扑绝缘体（TI）的普通电阻率行为，这是一个理论上不再存在的状态。在这里我们介绍了LaSb单晶，它虽然缺乏断裂的反转对称，也没有完美的线性带交叉和完美的电子空穴对，但是它却有着更复杂的半金属的外磁场诱导行为。它还展现了在外磁场作用下，载流子的超高迁移率，与二维费米面角度相关的量子震荡行为。本文将这种结构简单的LaSb单晶作为一个理想的模型系统来理解打破时间反演对称拓扑半金属的奇特结果，并且对其量子震荡行为进行研究。
目 录
第一章 绪论 1
1.1序言 1
1.2 拓扑绝缘体 2
1.3拓扑半金属 3
1.4研究的目标、意义和具体安排 4
参考文献 5
第二章 材料的制备与表征 6
2.1 材料制备 6
2.1.1 助溶剂法 6
2.2 材料表征 7
2.2.1电子结构测量 7
2.2.2 磁性测量 8
2.2.3 磁电阻测量 9
第三章 LaSb的量子震荡行为研究 11
3.1 引言 11
3.2 实验方法 12
3.3 实验结果和讨论 13
3.4 本章小结 16
参考文献 17
第四章 总结与展望 19
致谢 20 第一章 绪论
1.1序言
物理学家T.Thomson找到了电阻的一种变动：磁阻（Magnetoresistance，简称MR）——材料的电阻会根据外加磁场的变化而增加或者减小，而这磁阻与磁场和电流的相对方向有一定的关系，我们把这种特性称作磁阻的各向异性。磁阻具有广泛的应用价值，在磁储存、各种磁传感器、自旋阀以及GPS导航等领域都有其应用。而在之后，又有科学家发现了巨磁阻效应，这一发现立刻引起了科学家们广泛关注。随着研究的深 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
入以及设备的更新发展，人们还发现了庞磁阻和巨大磁阻材料（XMR），这些材料使得磁储存的发展到了一个新的阶段，这些发现更是为互联网技术的发展打下了硬件基础。因此，在最近几十年来的研究中，对巨大磁阻材料的找寻是凝聚态物理很重要的一个课题。
在物理学和材料学中，拓扑能带理论的快速发展，让人们开始对拓扑量子态的研究产生了兴趣。对于有特定对称性保护的材料，我们可以按照不同的拓扑性质将它们进行分类，打破了材料分类的传统方法。拓扑材料能带的特征是：价带和导带会产生交叉（交叉点叫做Dirac点），而能量和动量是线性的。有着与众不同的能带结构和物理特性的拓扑绝缘体是第一个被推测出来并且是确实存在的，也因此新一轮研究很快展开来。拓扑能带理论成功地解释了拓扑绝缘体，这使得人们对于金属或半金属也产生了浓厚的兴趣，甚至是对超导。在理论上也是很快就推出了拓扑半金属和拓扑超导体，而且都被实验所证实。拓扑材料的物理性质之一就是巨磁阻效应，不过不仅仅是这一个效应，其物理性质还具有自旋霍尔效应、反常霍尔效应、负磁阻效应。载流子迁移率大等，这些性质让拓扑材料在很多方面都有着巨大应用基础。除此之外，发现拓扑超导体也为超导的研究提供了不一样的依据。总而言之，拓扑材料的发现为凝聚态物理学开辟出了一片新兴领域。
“拓扑”这个词其实是来自于数学里面的拓扑学，将它用到凝聚态物理中的主要作用就是区分普通材料。拓扑特征的一个很重要的参量——拓扑不变量：两个同样结构的拓扑空间中有着一样的属性。比如：拓扑空间连通性就是指一个连通的拓扑空间经过一翻操作之后（平移、旋转、放大、缩小），这个空间依旧是连通在一起的，而这便证明了上述操作并没有改变这个拓扑空间的拓扑性，这便是一个拓扑不变量。拓扑材料的体态研究是从拓扑绝缘体（TI）开始的，虽然拓扑绝缘体的体态是绝缘的，不过他的表面受到拓扑保护因而表现出金属态，我们称这种体态为拓扑非平庸态。这一类材料有很强的表面态，也正因如此拓扑绝缘体在电子器件中的应用价值很高。就目前来讲我们发现的拓扑绝缘体主要有Z2拓扑绝缘体和拓扑晶状绝缘体。
1.2 拓扑绝缘体
由于拓扑绝缘体人们在研究霍尔效应时所 提出来的，那么我想先对霍尔效
应做一些介绍。霍尔效应其实是电磁效应，是在1879年，由霍尔发现的。
图1.1 霍尔效应示意图
如图1.1所示，当电流与外磁场方向成垂直状态，这时候通过导体，那么载流子会受到洛伦兹力的作用从而发生偏转，并且分别聚集在导体的两边。当载流子所受的洛伦兹力与电场力相平衡时，导体两边就会形成比较稳定的电势差，此时载流子不会再发生偏转，这样的现象被称为霍尔效应，形成的电势差称为霍尔电压。
在霍尔效应的后续研究中，Kliting又发现了量子霍尔效应，也就是整数量子霍尔效应（IQHE）。在研究较低温磁场下的霍尔效应时，发现现象与正常的
霍尔效应完全不同——霍尔电阻率并不是随着磁场的变化表现出线性变化，当磁场在一定强度的时候，霍尔电阻率会出现平台，而这些平台都是量子化的。如图1.2左图所示，每一个平台上的霍尔电阻率都是一样的：h/e2的整数倍，这个大小并不会受到外界因素的干扰。而且与样品的形状大写也没有关系，这就是整数量子霍尔效应。不过又有人发现在更高的磁场下，会出现很多的分数平台，也就是分数量子霍尔效应（FQHE），如图1.2右图所示。这两者统称为量子霍尔效应。
因为量子霍尔系统的表面态与形状大小都无关，但是会受到磁场强度和温度的影响，几乎与拓扑绝缘体是一样的，所以人们把量子霍尔系统叫做有磁场的拓
图1.2 左图是整数量子霍尔效应;右图是分数量子霍尔效应
扑绝缘体。该系统可以认作是最早的拓扑电子体系。同时，量子自旋霍尔绝缘体是有别于普通的绝缘体的，它的能带是拓扑非平庸的，统称为拓扑绝缘体，也称为二维拓扑绝缘体。随着对拓扑材料更加深入的研究，科学家们同样找到了三维拓扑绝缘体。
1.3拓扑半金属
在拓扑绝缘体被发现之后，人们的目光就不单单是拓扑绝缘体了，他们把中心都放在了金属上。对于拓扑半金属材料[11]的分析主要就是注意在费米能级的附近是否有能带结构比较奇怪的点，简单的讲就是寻找存在有能带的交叉点的材料。因为拓扑能带结构的系统非平庸，所以这些交叉点总有一些会出现比较奇特的量子现象。拓扑半金属其实是一种相对特殊的半导体，而半导体的能带间隙在某些分散点处一直是零，因此也可以被当作是一类特殊的金属，而这些金属的费米面会缩小为一系列点。
拓扑半金属可以根据交叉点的不同分为：狄拉克半金属（DSM）、外尔半金属（WSM）、nodalline半金属（NLSM）、nodalchain metal、nodalnet半金属等。这些半金属中，目前发现的DSM主要有Na3Bi和Cd3As2;WSM主要有HgCr2Se4和TaAs家族;NLSM主要有ZrSiS家族、Cu3PdN、CaP3家族等；nodalchain metal理论上主要有XY4（X=Ir, Ta, Re; Y=F, Cl, Br, I）化合物；nodalnet半金属理论上主要有TiB2和ZrB2两种化合物。在这几年的发展，发现的拓扑材料是越来越多，这个材料家族在发展壮大起来。除了在以上所说的拓扑材料中有巨磁阻效应之外，在一些非磁性金属材料也同样有着该效应，比如岩盐结构的LnX（Ln=La,Y,Nd,Ce;X=Sb/Bi）以及另一种材料——过度金属TmPn2 （Tm=Ta.Nb,W,Mo;Pn=P,As,Sb）等化合物。
目 录
第一章 绪论 1
1.1序言 1
1.2 拓扑绝缘体 2
1.3拓扑半金属 3
1.4研究的目标、意义和具体安排 4
参考文献 5
第二章 材料的制备与表征 6
2.1 材料制备 6
2.1.1 助溶剂法 6
2.2 材料表征 7
2.2.1电子结构测量 7
2.2.2 磁性测量 8
2.2.3 磁电阻测量 9
第三章 LaSb的量子震荡行为研究 11
3.1 引言 11
3.2 实验方法 12
3.3 实验结果和讨论 13
3.4 本章小结 16
参考文献 17
第四章 总结与展望 19
致谢 20 第一章 绪论
1.1序言
物理学家T.Thomson找到了电阻的一种变动：磁阻（Magnetoresistance，简称MR）——材料的电阻会根据外加磁场的变化而增加或者减小，而这磁阻与磁场和电流的相对方向有一定的关系，我们把这种特性称作磁阻的各向异性。磁阻具有广泛的应用价值，在磁储存、各种磁传感器、自旋阀以及GPS导航等领域都有其应用。而在之后，又有科学家发现了巨磁阻效应，这一发现立刻引起了科学家们广泛关注。随着研究的深 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
入以及设备的更新发展，人们还发现了庞磁阻和巨大磁阻材料（XMR），这些材料使得磁储存的发展到了一个新的阶段，这些发现更是为互联网技术的发展打下了硬件基础。因此，在最近几十年来的研究中，对巨大磁阻材料的找寻是凝聚态物理很重要的一个课题。
在物理学和材料学中，拓扑能带理论的快速发展，让人们开始对拓扑量子态的研究产生了兴趣。对于有特定对称性保护的材料，我们可以按照不同的拓扑性质将它们进行分类，打破了材料分类的传统方法。拓扑材料能带的特征是：价带和导带会产生交叉（交叉点叫做Dirac点），而能量和动量是线性的。有着与众不同的能带结构和物理特性的拓扑绝缘体是第一个被推测出来并且是确实存在的，也因此新一轮研究很快展开来。拓扑能带理论成功地解释了拓扑绝缘体，这使得人们对于金属或半金属也产生了浓厚的兴趣，甚至是对超导。在理论上也是很快就推出了拓扑半金属和拓扑超导体，而且都被实验所证实。拓扑材料的物理性质之一就是巨磁阻效应，不过不仅仅是这一个效应，其物理性质还具有自旋霍尔效应、反常霍尔效应、负磁阻效应。载流子迁移率大等，这些性质让拓扑材料在很多方面都有着巨大应用基础。除此之外，发现拓扑超导体也为超导的研究提供了不一样的依据。总而言之，拓扑材料的发现为凝聚态物理学开辟出了一片新兴领域。
“拓扑”这个词其实是来自于数学里面的拓扑学，将它用到凝聚态物理中的主要作用就是区分普通材料。拓扑特征的一个很重要的参量——拓扑不变量：两个同样结构的拓扑空间中有着一样的属性。比如：拓扑空间连通性就是指一个连通的拓扑空间经过一翻操作之后（平移、旋转、放大、缩小），这个空间依旧是连通在一起的，而这便证明了上述操作并没有改变这个拓扑空间的拓扑性，这便是一个拓扑不变量。拓扑材料的体态研究是从拓扑绝缘体（TI）开始的，虽然拓扑绝缘体的体态是绝缘的，不过他的表面受到拓扑保护因而表现出金属态，我们称这种体态为拓扑非平庸态。这一类材料有很强的表面态，也正因如此拓扑绝缘体在电子器件中的应用价值很高。就目前来讲我们发现的拓扑绝缘体主要有Z2拓扑绝缘体和拓扑晶状绝缘体。
1.2 拓扑绝缘体
由于拓扑绝缘体人们在研究霍尔效应时所 提出来的，那么我想先对霍尔效
应做一些介绍。霍尔效应其实是电磁效应，是在1879年，由霍尔发现的。
图1.1 霍尔效应示意图
如图1.1所示，当电流与外磁场方向成垂直状态，这时候通过导体，那么载流子会受到洛伦兹力的作用从而发生偏转，并且分别聚集在导体的两边。当载流子所受的洛伦兹力与电场力相平衡时，导体两边就会形成比较稳定的电势差，此时载流子不会再发生偏转，这样的现象被称为霍尔效应，形成的电势差称为霍尔电压。
在霍尔效应的后续研究中，Kliting又发现了量子霍尔效应，也就是整数量子霍尔效应（IQHE）。在研究较低温磁场下的霍尔效应时，发现现象与正常的
霍尔效应完全不同——霍尔电阻率并不是随着磁场的变化表现出线性变化，当磁场在一定强度的时候，霍尔电阻率会出现平台，而这些平台都是量子化的。如图1.2左图所示，每一个平台上的霍尔电阻率都是一样的：h/e2的整数倍，这个大小并不会受到外界因素的干扰。而且与样品的形状大写也没有关系，这就是整数量子霍尔效应。不过又有人发现在更高的磁场下，会出现很多的分数平台，也就是分数量子霍尔效应（FQHE），如图1.2右图所示。这两者统称为量子霍尔效应。
因为量子霍尔系统的表面态与形状大小都无关，但是会受到磁场强度和温度的影响，几乎与拓扑绝缘体是一样的，所以人们把量子霍尔系统叫做有磁场的拓
图1.2 左图是整数量子霍尔效应;右图是分数量子霍尔效应
扑绝缘体。该系统可以认作是最早的拓扑电子体系。同时，量子自旋霍尔绝缘体是有别于普通的绝缘体的，它的能带是拓扑非平庸的，统称为拓扑绝缘体，也称为二维拓扑绝缘体。随着对拓扑材料更加深入的研究，科学家们同样找到了三维拓扑绝缘体。
1.3拓扑半金属
在拓扑绝缘体被发现之后，人们的目光就不单单是拓扑绝缘体了，他们把中心都放在了金属上。对于拓扑半金属材料[11]的分析主要就是注意在费米能级的附近是否有能带结构比较奇怪的点，简单的讲就是寻找存在有能带的交叉点的材料。因为拓扑能带结构的系统非平庸，所以这些交叉点总有一些会出现比较奇特的量子现象。拓扑半金属其实是一种相对特殊的半导体，而半导体的能带间隙在某些分散点处一直是零，因此也可以被当作是一类特殊的金属，而这些金属的费米面会缩小为一系列点。
拓扑半金属可以根据交叉点的不同分为：狄拉克半金属（DSM）、外尔半金属（WSM）、nodalline半金属（NLSM）、nodalchain metal、nodalnet半金属等。这些半金属中，目前发现的DSM主要有Na3Bi和Cd3As2;WSM主要有HgCr2Se4和TaAs家族;NLSM主要有ZrSiS家族、Cu3PdN、CaP3家族等；nodalchain metal理论上主要有XY4（X=Ir, Ta, Re; Y=F, Cl, Br, I）化合物；nodalnet半金属理论上主要有TiB2和ZrB2两种化合物。在这几年的发展，发现的拓扑材料是越来越多，这个材料家族在发展壮大起来。除了在以上所说的拓扑材料中有巨磁阻效应之外，在一些非磁性金属材料也同样有着该效应，比如岩盐结构的LnX（Ln=La,Y,Nd,Ce;X=Sb/Bi）以及另一种材料——过度金属TmPn2 （Tm=Ta.Nb,W,Mo;Pn=P,As,Sb）等化合物。
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