当前位置:巴黎人注册送18 > 巴黎人-智能硬件 > 分析表明该纵向负磁阻效应是由手征反常导致巴

分析表明该纵向负磁阻效应是由手征反常导致巴

文章作者:巴黎人-智能硬件 上传时间:2019-09-22

(物理学院 科学技术处)

虽然同为IV-VI族化合物,但SnSe与SnTe晶体结构迥异。最近两年,SnSe单晶被报道具有高达2.6的ZT值。为了克服SnSe单晶生长条件苛刻、制备周期较长、机械性能较差等缺点,制备SnSe多晶并改善其热电性能成了相关研究热点。近期,该团队采用理论计算和区熔生长法开展SnSe多晶研究工作。图2a展示了SnSe织构化区熔多晶,其功率因子和ZT值分别达9.5 μWcm-1K-2和0.9@873 K,这远高于国际上其他同类报道结果,并且非常接近Nature(2014, 508, 373)所报道的单晶结果,体现了织构化对SnSe电输运性质的有效提升。通过对SnSe区熔多晶进行粉碎再烧结,可保持较高功率因子并使得热导率降低。第一性原理计算表明Ag掺杂可以促进SnSe中轻/重价带简并,这种能带简并效应有利于提高Seebeck系数和功率因子;实验工作证实了这一理论推测,通过Ag掺杂提高了SnSe多晶的载流子浓度,功率因子达11 μWcm-1K-2,ZT值进一步提高至1.3。

图4:所有样品电学性能分析: 样品电阻率ρ 样品Seebeck系数S 样品载流子浓度 nH; 样品Hall迁移率μH; 为室温下样品NTFC-20min和 HZNSS-20min的理论模拟Hall 迁移率与载流子浓度关系曲线,实验值在图中标示以便对比; 所有样品实验功率因子PF与温度关系曲线; 室温下样品理论模拟PF与载流子浓度关系图,实验值在图中标示以便对比。

我校缪峰教授课题组选取了第一种被理论预言的第二类外尔半金属:二碲化钨开展研究。WTe2是一种层状结构的过渡金属硫族化合物,最近因为实验上观察到的巨大不饱和磁阻已经受到了广泛的关注。其面内两个晶向相互垂直,由于a 轴方向钨链的形成,导致很强的面内各向异性。该课题组利用WTe2层状可剥离的特点得到不同层数的样品,采用可校准掩模蒸镀技术制作出高质量的WTe2薄膜器件,并发现研究WTe2手征输运特性的样品理想厚度为7-15nm。研究人员在电流平行于b轴的样品中,观测到了显著的纵向负磁阻效应(磁场与电流方向平行)。该效应对磁场与电流之间的夹角变化非常敏感,在完全平行时效应最为明显,而很小的角度就可以有效抑制该效应,分析表明该纵向负磁阻效应是由手征反常导致。同时,该课题组利用同样的制作工艺制备出电流平行于a轴的样品,发现手征反常特性消失,从而有力验证了WTe2作为第二类外尔半金属的特征。

这项工作首先利用二维材料可控转移技术,制备了WTe2/NbSe2范德华垂直异质结。在这个结构中,NbSe2作为超导体,在垂直方向上通过近邻效应诱导实现了WTe2超导,如图b所示,可以根据测量的临界电流证实超导信号来自于WTe2。同时, WTe2在不同偏压下的微分电阻表现出了震荡的趋势,与一般超导体截然不同。对一般超导体,当电流导致超导被破坏时,电阻会从零瞬时变回常值电阻;而对于WTe2,微分电阻的震荡表明其在从超导态到正常态的变化过程中,库珀对的破坏并不是在瞬时发生的,而是一个逐步被破坏的过程。理论计算表明,WTe2被NbSe2诱导超导后,其态密度在超导带隙内是V型的,不同于一般超导体的U型。此外,态密度在带隙内的震荡趋势与实验结果吻合很好,证明了观察到的微分电阻震荡确实是WTe2超导的亚带隙反常引起的独特性质。最后,值得指出的是,除了利用近邻效应,在同样的WTe2体系中实现超导还可能有不同的技术途径,其中包括不久前我校物理学院李绍春教授合作团队提出的碱金属插层的实验手段。

早在1993年,麻省理工学院的Mildred Dresselhaus教授和她的博士生L. D. Hicks曾预言二维量子限域效应引起的态密度增强现象会极大地提高材料的热电功率因子 (Phys. Rev. B 47, 12727 ,这为获得高性能的热电材料提供了一个非常重要的理论指导。但是截至目前,一直没有实验确切地证实这个理论预测。即使在有些实验中半导体材料量子阱的宽度已经缩小至电荷的波尔直径尺度,仍然没有观察到热电性能的显著增强。最近,我校物理学院的梁世军副研究员和缪峰教授开展实验,同时与吉林大学张立军教授理论课题组合作,利用二维材料厚度和载流子浓度可控的特性,首次证实了著名的Hicks-Dresselhaus理论预言。

图3. BiCuOSe声子输运特性:热导率随温度变化;散射联合态密度随频率分布;xx与zz方向热导率及其比值;沿Г-X与Г-Z方向声子群速度随频率分布

热电技术能够实现热能和电能的直接相互转换,兼具有体积小、无振动噪音、服役时间长和环境友好等优点,在废热发电和制冷方面具有独特的优势,因此引起了世界范围内清洁能源领域的广泛关注。热电器件的转换效率准确来说主要是由材料的工程热电性能决定的,其中能量转换效率η 取决于热电材料的工程热电优值(ZT)eng值,该值定义为:(ZT)eng=(frac{left ( int_{T_{c}}^{T_{h}}Sleft ( T right )mathrm{d}T right )^{2}}{int_{T_{c}}^{T_{h}}rho left ( T right )mathrm{d}Tint_{T_{c}}^{T_{h}}kappaleft ( T right )mathrm{d}T}) ΔT=(frac{left ( PF right )_{eng}}{int_{T_{c}}^{T_{h}}kappaleft ( T right )mathrm{d}T})ΔT。其中Seebeek 系数S和电阻率ρ统称为材料的电学性能,描述的是材料的电学输运特性,与材料载流子的类型、浓度和迁移率以及材料电子结构密切相关。决定热电材料(ZT)eng的三个参数:S系数、电阻率ρ和热导率Ƙ(由电子热导Ƙe和晶格热导ƘL组成)通过载流子输运相互耦合制约,单个参数性能的优化调整通常引起其它两种性能的劣化或蜕化,从而无助于整体热电性能的提高。因此,如何实现热电性能各个输运参数之间的解耦,尤其是充分利用各种声子散射(phonon scattering)机制以降低材料的晶格热导率ƘL,同时不损害甚至增强材料的电学输运性能,始终是热电领域研究的热点和关键。

巴黎人注册网址 1

我校物理学院的缪峰教授课题组之前利用低温电子输运的手段,提供了二碲化钨作为第二类外尔半金属的有力实验证据(Nat. Commun. 2016, 7, 13142)。在此基础上,缪峰课题组近日又首次实验实现了近邻效应诱导的WTe2的超导,在其超导态下观察到了反常的亚带隙输运特征;我校物理学院的王强华教授课题组理论结合实验,理论证明了实验观察到的微分电阻震荡来源于WTe2超导的亚带隙反常特性。需要指出的是,不同于之前人们研究的高压诱导超导,这项工作中近邻效应诱导的二碲化钨超导仍保持了其第二类外尔半金属的特征,为后续研究外尔半金属最终实现拓扑超导奠定了基础。

热电测试结构的示意图; 常温下,7 – 29 nm的InSe功率因子随载流子浓度变化; 9层和36层的InSe态密度分布; 功率因子随样品的量子限域长度h0与热德布罗意波长ξ的比值h0/ξ的变化,随着h0/ξ减小而增强,尤其是在h0/ξ < 1的区间有显著的增强,与插图中的理论预测是一致的。

巴黎人注册网址 2

图5:所有HH样品的工程热电性能:分别为Nb0.8Ti0.2FeSb和Hf0.25Zr0.75NiSn0.97Sb0.03系列样品的热电优值,其中插图为理论模拟下热电优值与载流子浓度关系图;,分别显示当样品冷端为50℃,所有样品的(ZT)eng,η, (PF)eng和Pd 随样品热端温度变化的关系曲线。

该工作以Gate-Tunable Negative Longitudinal Magnetoresistance in the Predicted Type-II Weyl Semimetal WTe2为题于2016年10月11日发表在《自然-通讯》杂志上 (Nature Communications 7, 13142 。我校物理学院博士生王瑶佳为论文的第一作者,缪峰教授、以及提供理论计算的万贤纲教授和王伯根教授为该论文的共同通讯作者,邢定钰院士和南方科技大学卢海舟教授为该项研究提供了理论支持,王振林教授提供了拉曼实验协助。该项研究得到微结构科学与技术协同创新中心、科技部量子调控国家重大科学研究计划项目、科技部国家重点基础研究发展计划、江苏省杰出青年基金、国家自然科学基金等资助。

(物理学院 科学技术处)

近日,该成果近日(2018年11月27日)以“Experimental Identification of Critical Condition for Drastically Enhancing Thermoelectric Power Factor of Two-Dimensional Layered Materials”为题发表在Nano Letters上。我校物理学院博士生曾俊文、吉林大学的贺欣博士生、我校物理学院梁世军副研究员为该论文的共同第一作者,缪峰教授、梁世军副研究员和吉林大学的张立军教授为该论文的共同通讯作者。

巴黎人注册网址 3

图2:透射电镜照片显示HH材料晶界存在较高密度位错阵列:, 分别显示Nb0.8Ti0.2FeSb材料晶界LMTEM和HRTEM扭曲型位错阵列(twist-type dislocations)图像;分别对应的反向快速傅里叶变换图像; 显示Hf0.25Zr0.75NiSn0.97Sb0.03晶界存在过渡型位错阵列(Mioré pattern)。

在拓扑电子学的研究中,如何有效调控拓扑输运特性是实现应用的关键。在观测到手征反常效应的基础上,该课题组利用薄膜器件可栅压调控的优势,首次实现了外尔半金属费米能在外尔点附近的原位调节,在WTe2器件中实现了手征输运特性的场效应调控。该工作不仅在凝聚态物理中为原位研究第二类外尔费米子提供了可通用的实验手段,并且对拓扑及手征电子学的应用研究有着重要的意义。

巴黎人注册网址 4

本文由巴黎人注册送18发布于巴黎人-智能硬件,转载请注明出处:分析表明该纵向负磁阻效应是由手征反常导致巴

关键词: