几种磁性材料中的反常霍尔效应及1T-TaS2单晶的退火效应研究

论文摘要

在凝聚态物理中,反常霍尔效应是材料的基本输运特性之一。经过不断的探索和总结,人们提出了三种反常霍尔效应机制,可以合理地解释大部分材料中的反常霍尔效应行为。随着理论和实验的深入,研究人员发现了一些不能用传统机制进行描述的反常霍尔效应行为,这些行为与实空间或动量空间中的贝利相位有关,因此被称为拓扑霍尔效应。为了理解和验证拓扑霍尔效应机理,我们选取了两种单轴铁磁材料,通过磁性质和电输运性质的测量,研究了材料体系的磁各向异性和实空间中非共面自旋结构导致的拓扑霍尔效应。另外,我们研究了在Fe1+xSb体系中,填隙铁原子含量对包括拓扑霍尔效应在内的物理性质的影响。过渡金属硫族化合物TaS2的1T相表现出电荷密度波、低温下的Mott绝缘态等现象,2H相是一种电荷密度波和超导共存的材料。通过化学掺杂、外加压力等手段,可以实现对上述物理状态的调控。因此,研究1T-TaS2和2H-TaS2对理解丰富物理现象背后的机理具有重要意义。理论预测表明,TaS2的1T和2H相的能量相近,可以用氢化、退火等方法使体系发生相变。我们对1 T-TaS2单晶进行不同温度下的退火处理,并测量了退火后样品的输运性质和X射线光电子能谱,从而系统地研究了退火对1 T-TaS2的影响。根据上述内容,本论文分为以下六部分:第1章绪论本章综述了论文的研究背景。首先,我们介绍了反常霍尔效应的发展历程,包括反常霍尔效应的发现、反常霍尔效应的三种理论机制及争论、反常霍尔效应的最新研究进展;紧接着我们引入了贝利相位的概念,并详细介绍了由实空间和动量空间中贝利相位所导致的反常霍尔效应行为,即拓扑霍尔效应;然后,我们介绍了 1T-TaS2和2H-TaS2中丰富的物理性质和用各种手段对其进行的调控;在本章最后,我们总结了论文的研究意义和研究内容。第2章实验原理和方法本章主要介绍了本论文中用到的单晶生长技术、样品的结构和成分表征手段、样品的磁性质和电输运性质测量的基本原理。第3章 Fe3GeTe2中反常霍尔效应的各向异性我们研究了三角晶格巡游铁磁材料Fe3GeTe2中各向异性的反常霍尔效应行为。通过运用化学气相输运法,我们合成了高质量的Fe3GeTe2单晶样品。磁性测量表明,该材料具有明显的各向异性。由霍尔效应的测量可知,当沿难磁化轴加电流,同时沿易磁化轴加磁场时,Fe3GeTe2在铁磁转变温度以下表现出传统的反常霍尔效应,并可通过内禀的K-L机理进行拟合;当沿易磁化轴加电流,同时沿难磁化轴加磁场时,可以观测到体系在铁磁转变温度以下出现拓扑霍尔效应,霍尔电阻率在磁场下表现出明显增强的行为是由自旋翻转过程中产生的手性效应导致的。第4章 Fe1.08 Sb单晶的磁性和电输运性质的测量Fe1+xSb体系中填隙铁原子的含量为0.08≤x≤0.38。我们成功合成了Fe1.08Sb单晶样品,其间隙铁原子含量接近固溶区间的最低值。交流磁化率测量以及磁化强度随磁场强度变化曲线表明,Fe1.08Sb在9 K附近发生自旋玻璃转变。通过分析磁化率和电阻率随温度变化的曲线可知,填隙铁原子在140 K附近开始有序排列,并影响体系的输运性质。由霍尔电阻的测量结果可知,空穴型载流子在Fe1.08Sb中占据主导地位。另外,Fe1108Sb的标量手性自旋效应不明显,对拓扑霍尔效应的贡献不大。第5章 tr-Cr5Te8中磁各向异性和拓扑霍尔效应研究我们研究了tr-Cr5Te8的磁各向异性和拓扑霍尔效应。通过分析不同温度下直流和交流磁化率的变化曲线,我们提出了一种可能的磁结构:在磁性转变温度以下,tr-Cr5Te8的自旋沿c方向成倾斜铁磁排列且在ab面有反铁磁分量。这种特殊的磁结构使该材料的反常霍尔效应表现出各向异性:当沿ab面加电流,同时沿c方向加磁场时,tr-Cr5Te8表现出传统的反常霍尔效应行为且可用螺旋散射机制进行描述;当沿c方向加电流,同时沿ab面加磁场时,自旋翻转导致的具有标量手性自旋的非共面磁结构使体系中出现拓扑霍尔效应。第6章 1T-TaS2单晶的退火效应研究我们总结了 1T-TaS2的退火效应对体系输运性质的影响,并用X射线光电子能谱对不同温度退火的样品进行了表征。由电输运性质的测量可知,随着退火温度的升高,1T-TaS2的近公度电荷密度波到公度电荷密度波的转变逐渐被压制,且在低温下出现超导电性。当退火温度升高到超过500 ℃时,超导转变温度进一步升高。利用光电子谱对不同温度退火样品的Ta 4f和S 2p特征峰进行表征,可以得出退火使1T-TaS2相变到2H-TaS2,当退火温度大于500℃时,体系中缺陷明显增多,从而使超导转变温度和上临界场增大。

论文目录

摘要

abstract

第1章绪论

1.1 反常霍尔效应的研究综述

1.1.1 反常霍尔效应的发现

1.1.2 反常霍尔效应的几种理论机制及争论

1.1.3 反常霍尔效应的研究进展

1.2 拓扑霍尔效应的研究综述

1.2.1 实空间中贝利相位对拓扑霍尔效应的贡献

1.2.2 动量空间中贝利相位对拓扑霍尔效应的贡献

2的低温物性研究进展'> 1.3 TaS₂的低温物性研究进展

2的结构和物性研究'> 1.3.1 1T-TaS₂的结构和物性研究

2的结构和物性研究'> 1.3.2 2H-TaS₂的结构和物性研究

1.4 本论文的研究意义及研究内容

第2章实验原理和方法

2.1 单晶生长

2.1.1 助熔剂法

2.1.2 化学气相输运法

2.1.3 Bridgeman法

2.2 样品的结构和成分表征

2.2.1 X射线衍射分析

2.2.2 成分表征——能量色散X射线光谱仪

2.3 样品的磁性质测量

2.4 电输运性质的测量

3GeTe₂中反常霍尔效应的各向异性'>第3章 Fe₃GeTe₂中反常霍尔效应的各向异性

3.1 引言

3.2 实验细节

3.3 实验结果和讨论

3.4 本章小结

1.08Sb单晶的磁性和电输运性质的研究'>第4章 Fe_1.08Sb单晶的磁性和电输运性质的研究

4.1 引言

4.2 实验细节

4.3 实验结果与讨论

4.4 本章小结

5Te₈中的磁各向异性及拓扑霍尔效应的研究'>第5章 tr-Cr₅Te₈中的磁各向异性及拓扑霍尔效应的研究

5.1 引言

5.2 实验细节

5.3 实验结果和讨论

5.4 本章小结

2的退火效应研究'>第6章 1T-TaS₂的退火效应研究

6.1 引言

6.2 实验细节

6.3 实验结果和讨论

6.4 本章小结

第7章总结与展望

7.1 论文总结

7.2 展望

参考文献

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果

致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 王宜豪

导师: 熊奕敏

关键词: 反常霍尔效应,贝利相位,拓扑霍尔效应,各向异性,过渡金属硫族化合物,退火效应

来源: 中国科学技术大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 中国科学技术大学

分类号: O469

总页数: 117

文件大小: 11518K

下载量: 752

几种磁性材料中的反常霍尔效应及1T-TaS2单晶的退火效应研究

论文摘要

论文目录

文章来源

相关论文文献

猜你喜欢