gdsb单晶的磁性电输运及电子能带结构研究【字数：8657】
摘 要近年来，稀土氮族化合物作为典型低载流子浓度的强关联体系，以及其具有简单的岩盐晶体结构而受到了人们广泛的关注。在稀土氮族化合物中，GdX（X为氮族元素）体系是最易研究和最具代表性的，因为Gd位于元素周期表中稀土金属系列的中心，并且其晶体场效应被认为是十分微弱的。本文通过Sn助溶剂法制得了高质量的NaCl型单晶GdSb，并且对其磁性、电输运及电子能带结构进行了系统的研究。我们测量了不同温度下，磁电阻与磁场强度的关系，数据表明低温下的磁电阻与H2成正比，并且当样品处于2 K和9 T条件下时，其磁电阻可高达12100%。电阻率ρ(T)的测量表明在零磁场时，GdSb呈现金属导电性，且在奈尔温度附近受到自旋无序效应的影响而出现电阻异常。剩余电阻率RRR=ρ(300 K)/ρ(2 K)≈103与MR∝H2一起证明了样品的高质量。通过霍尔效应及第一性原理计算，发现GdSb是多带及补偿型半金属，其中电子与空穴的数量相当。
目录
第一章 绪论 1
1.1引言 1
1.1.1 拓扑相和拓扑相变 1
1.1.2 拓扑材料简介 2
第二章 试验方法和实验仪器简介 3
2.1 助溶剂法的基本原理及其分类 3
2.2 X光衍射仪 3
2.3 扫描电子显微镜 4
2.4 综合物性测量系统 5
第三章 GdSb单晶的磁性，电输运及电子能带结构研究 6
3.1 引言 6
3.2 材料与方法 7
3.3 结果和讨论 8
3.3.1 结构表征 8
3.3.2 磁电阻 8
3.3.3 电阻率 10
3.3.4 霍尔效应表征 11
3.3.5 角分辨磁阻特性 13
3.3.6 第一性原理计算 13
第四章 总结与展望 15
参考文献 16
致谢 18
第一章 绪论
1.1引言
1.1.1 拓扑相和拓扑相变
所谓凝聚态物理，指的便是在实践中发现新的物质状态，随后利用已有的物理知识来描述和解 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
释这新状态，并对其进行总结。相变指的是物质在不断变化的外部环境中突然改变其性质的短暂过程。在这个过程中，通常伴随着物理特性的变化。例如，水在0℃以下时会呈现固态，在100℃以上会呈现气态，并且不同态的水具备不同的物理性质。气态水中的水分子在空间中自由取向，任何方向的观察都是等效的，但这些相互作用的水分子会随着温度的降低而改变其排列顺序，在某一温度点会突然采取有序排列，变成液态水或固体冰而破坏了空间排列对称性[1]。为了解释凝聚态物质在不同相的状态以及各个相之间的相变，前苏联物理学家朗道和金兹堡在20世纪30年代提出了“对称性破缺”理论，这个理论主导了凝聚态物理很长一段时间，在当时人们普遍认为这个理论几乎是完美的。
直到三位美国科学家：戴维索利斯、邓肯霍尔丹和迈克尔科斯特利茨大胆地将拓扑概念与物理学结合，打破了这个“完美”的理论，使凝聚态物理发生了革命性的变化。拓扑学是现代数学中的一个分支，其研究主体是物体中不随形变变化的部分性质，后来在量子物理学领域中逐渐得到应用，最终成为研究分析物质世界连续性和连通性的重要数学方法。拓扑学忽略研究对象的形状和大小，只注重空间位置关系。例如，当购物袋太满时，吐司面包会被挤压成玻璃球的形状，这时吐司面包和玻璃球具有相同的基本几何形状，因此具有相同的拓扑结构。但相对于甜甜圈而言则不一样，甜甜圈有一个洞，所以即使被挤压，其形状也可以容易地与面包卷区分开，也就是说，它的拓扑结构与吐司面包和玻璃球不同。若凝聚态物体中包裹的孔数量在连续形变下不会改变，并且可用于表征和区分两个不同闭合表面的拓扑特性，则可以通过该概念描述的物体状态，称这个状态为拓扑物态或者拓扑相。拓扑相变即为不同拓扑相之间的转换。
1.1.2 拓扑材料简介
基于戴维索利斯等人的研究，拓扑材料可大致分为拓扑绝缘体，拓扑晶体绝缘体，拓扑超导体和拓扑半金属，其中拓扑半金属又分为狄拉克半金属和外尔半金属[2]。由于拓扑材料中存在量子霍尔效应，因此表现出很多奇特的现象。比如，当将强磁场施加到二维电子气体系时，系统的主体是绝缘体，但边缘却是导电的，并且量子化的电导平台出现在边缘处。1988年提出的Haldane模型，为我们寻找具有整数量子霍尔效应的材料提供了理论依据，也为我们将这种材料的特殊性质应用于我们的实际器件奠定了坚实的基础。若材料在零磁场作用下会出现量子霍尔效应，我们便称之为Chern拓扑绝缘体。
2005年，Kane和Mele在将电子自旋和原子轨道之间的相互作用加入考虑范围之后，提出了量子自旋霍尔效应[3]。具有量子自旋霍尔效应的系统表现出时间反演对称性，这点与整数量子霍尔效应不同（量子霍尔效应中时间反演对称性被破坏）。通过计算KaneMele模型，我们发现系统表面有两个自旋相反和方向相反的电流，并且自旋霍尔电导呈现量子化，该模型为人们寻找具有量子自旋霍尔效应的材料提供了理论依据[4]。我们称这种材料为Z2拓扑绝缘体。例如，2006年，张首晟发现了CdTe / HgTe二维量子阱系统[5]。2009年，张首晟、方忠、戴希等人预测了Bi2Se3系列三维拓扑绝缘体[6]。
拓扑半金属是与拓扑绝缘体不同的拓扑电子态，其中Weyl半金属是拓扑半金属中发展较为成熟的一个体系。Weyl半金属体内没有能隙，并且具有在动量空间中，导带和价带相交以形成二重简并点等特征。根据拓扑带理论的计算，二重点的导带或价带必须具有拓扑指标，也就是说，双简并点的形成受系统对称性的保护[8]。利用紧束缚近似模型，发现简并点的低能激发方程满足Weyl方程，因此该体系的二重简并点称为Weyl点[4]。2011年，万贤刚等人在烧绿石结构的能带中发现了Weyl点，并观察到材料表面的拓扑表面状态，称为费米弧，这是第一次在实验中观察到Weyl半金属[3][5]。这项工作很快引起了研究人员的关注，并促进了拓扑凝聚态物理学的发展。后来发现，金属系统中存在许多多重简并点，这些点的低能激发方程不同于Weyl方程，但这些简并点也具备对称的拓扑保护表面状态[7]。这些材料的研究内容扩充了凝聚态拓扑理论的内容，成功引起了许多研究者的关注，为凝聚态物理的研究开拓了一条崭新的道路。
第二章 试验方法和实验仪器简介
2.1 助溶剂法的基本原理及其分类
助熔剂法通过利用低熔点物质降低高熔点物质的熔化温度，在恒定温度下逐渐蒸发熔剂，然后在温度降低时使晶体析出并生长。晶体生长成功与否最主要看是否控制好溶液的过饱和度。在晶体生长中控制其过饱和度的方法有：(1)不同的材料利用不同的助溶剂生长；(2)以各种方式除去助溶剂以改变溶液的组成；(3)根据以往经验或相图调整生长温度和降温速率。
目录
第一章 绪论 1
1.1引言 1
1.1.1 拓扑相和拓扑相变 1
1.1.2 拓扑材料简介 2
第二章 试验方法和实验仪器简介 3
2.1 助溶剂法的基本原理及其分类 3
2.2 X光衍射仪 3
2.3 扫描电子显微镜 4
2.4 综合物性测量系统 5
第三章 GdSb单晶的磁性，电输运及电子能带结构研究 6
3.1 引言 6
3.2 材料与方法 7
3.3 结果和讨论 8
3.3.1 结构表征 8
3.3.2 磁电阻 8
3.3.3 电阻率 10
3.3.4 霍尔效应表征 11
3.3.5 角分辨磁阻特性 13
3.3.6 第一性原理计算 13
第四章 总结与展望 15
参考文献 16
致谢 18
第一章 绪论
1.1引言
1.1.1 拓扑相和拓扑相变
所谓凝聚态物理，指的便是在实践中发现新的物质状态，随后利用已有的物理知识来描述和解 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
释这新状态，并对其进行总结。相变指的是物质在不断变化的外部环境中突然改变其性质的短暂过程。在这个过程中，通常伴随着物理特性的变化。例如，水在0℃以下时会呈现固态，在100℃以上会呈现气态，并且不同态的水具备不同的物理性质。气态水中的水分子在空间中自由取向，任何方向的观察都是等效的，但这些相互作用的水分子会随着温度的降低而改变其排列顺序，在某一温度点会突然采取有序排列，变成液态水或固体冰而破坏了空间排列对称性[1]。为了解释凝聚态物质在不同相的状态以及各个相之间的相变，前苏联物理学家朗道和金兹堡在20世纪30年代提出了“对称性破缺”理论，这个理论主导了凝聚态物理很长一段时间，在当时人们普遍认为这个理论几乎是完美的。
直到三位美国科学家：戴维索利斯、邓肯霍尔丹和迈克尔科斯特利茨大胆地将拓扑概念与物理学结合，打破了这个“完美”的理论，使凝聚态物理发生了革命性的变化。拓扑学是现代数学中的一个分支，其研究主体是物体中不随形变变化的部分性质，后来在量子物理学领域中逐渐得到应用，最终成为研究分析物质世界连续性和连通性的重要数学方法。拓扑学忽略研究对象的形状和大小，只注重空间位置关系。例如，当购物袋太满时，吐司面包会被挤压成玻璃球的形状，这时吐司面包和玻璃球具有相同的基本几何形状，因此具有相同的拓扑结构。但相对于甜甜圈而言则不一样，甜甜圈有一个洞，所以即使被挤压，其形状也可以容易地与面包卷区分开，也就是说，它的拓扑结构与吐司面包和玻璃球不同。若凝聚态物体中包裹的孔数量在连续形变下不会改变，并且可用于表征和区分两个不同闭合表面的拓扑特性，则可以通过该概念描述的物体状态，称这个状态为拓扑物态或者拓扑相。拓扑相变即为不同拓扑相之间的转换。
1.1.2 拓扑材料简介
基于戴维索利斯等人的研究，拓扑材料可大致分为拓扑绝缘体，拓扑晶体绝缘体，拓扑超导体和拓扑半金属，其中拓扑半金属又分为狄拉克半金属和外尔半金属[2]。由于拓扑材料中存在量子霍尔效应，因此表现出很多奇特的现象。比如，当将强磁场施加到二维电子气体系时，系统的主体是绝缘体，但边缘却是导电的，并且量子化的电导平台出现在边缘处。1988年提出的Haldane模型，为我们寻找具有整数量子霍尔效应的材料提供了理论依据，也为我们将这种材料的特殊性质应用于我们的实际器件奠定了坚实的基础。若材料在零磁场作用下会出现量子霍尔效应，我们便称之为Chern拓扑绝缘体。
2005年，Kane和Mele在将电子自旋和原子轨道之间的相互作用加入考虑范围之后，提出了量子自旋霍尔效应[3]。具有量子自旋霍尔效应的系统表现出时间反演对称性，这点与整数量子霍尔效应不同（量子霍尔效应中时间反演对称性被破坏）。通过计算KaneMele模型，我们发现系统表面有两个自旋相反和方向相反的电流，并且自旋霍尔电导呈现量子化，该模型为人们寻找具有量子自旋霍尔效应的材料提供了理论依据[4]。我们称这种材料为Z2拓扑绝缘体。例如，2006年，张首晟发现了CdTe / HgTe二维量子阱系统[5]。2009年，张首晟、方忠、戴希等人预测了Bi2Se3系列三维拓扑绝缘体[6]。
拓扑半金属是与拓扑绝缘体不同的拓扑电子态，其中Weyl半金属是拓扑半金属中发展较为成熟的一个体系。Weyl半金属体内没有能隙，并且具有在动量空间中，导带和价带相交以形成二重简并点等特征。根据拓扑带理论的计算，二重点的导带或价带必须具有拓扑指标，也就是说，双简并点的形成受系统对称性的保护[8]。利用紧束缚近似模型，发现简并点的低能激发方程满足Weyl方程，因此该体系的二重简并点称为Weyl点[4]。2011年，万贤刚等人在烧绿石结构的能带中发现了Weyl点，并观察到材料表面的拓扑表面状态，称为费米弧，这是第一次在实验中观察到Weyl半金属[3][5]。这项工作很快引起了研究人员的关注，并促进了拓扑凝聚态物理学的发展。后来发现，金属系统中存在许多多重简并点，这些点的低能激发方程不同于Weyl方程，但这些简并点也具备对称的拓扑保护表面状态[7]。这些材料的研究内容扩充了凝聚态拓扑理论的内容，成功引起了许多研究者的关注，为凝聚态物理的研究开拓了一条崭新的道路。
第二章 试验方法和实验仪器简介
2.1 助溶剂法的基本原理及其分类
助熔剂法通过利用低熔点物质降低高熔点物质的熔化温度，在恒定温度下逐渐蒸发熔剂，然后在温度降低时使晶体析出并生长。晶体生长成功与否最主要看是否控制好溶液的过饱和度。在晶体生长中控制其过饱和度的方法有：(1)不同的材料利用不同的助溶剂生长；(2)以各种方式除去助溶剂以改变溶液的组成；(3)根据以往经验或相图调整生长温度和降温速率。
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