一直以來，大磁電阻的材料由于其在基礎(chǔ)研究和器件應(yīng)用中所起的重要作用而倍受關(guān)注。半個世紀(jì)來，研究發(fā)現(xiàn)材料的經(jīng)典磁電阻隨外磁場具有二次方關(guān)系，在大磁場下，磁電阻趨于飽和。特殊的是，非飽和線性磁電阻可能存在于具有開放費米面材料中。在能隙接近零（或較?。┑陌雽?dǎo)體材料中發(fā)現(xiàn)多種有趣的磁電阻現(xiàn)象，如在銀摻雜Ag2+ Se和Ag2+ Te材料中發(fā)現(xiàn)反常大的線性磁電阻，很多理論試圖解釋這種非飽和線性磁電阻。在這些理論模型中，由Abrikosov等提出的“量子磁電阻”及由Parish和Littlewood提出的經(jīng)典物理模型最為典型。Abrikosov等認(rèn)為零能隙半導(dǎo)體因為只有一個朗道能級而在大磁場下具有量子限制，從而可能產(chǎn)生非飽和磁電阻。Parish和Littlewood則認(rèn)為材料的非均勻性導(dǎo)致的電流漲落可能導(dǎo)致非飽和磁電阻。在過去幾年，由于拓?fù)浣^緣體具有零能隙狄拉克表面態(tài)，拓?fù)浣^緣體材料的磁電阻引起越來越多研究者關(guān)注。一些研究者在拓?fù)浣^緣體單晶、薄膜、納米片等材料中發(fā)現(xiàn)線性磁電阻。他們認(rèn)為單晶材料的線性磁電阻來源于材料二維無能隙拓?fù)浔砻鎽B(tài)。另外，也有研究認(rèn)為即使在單晶或薄膜材料中，電子不均勻和導(dǎo)電性漲落也是影響線性磁電阻的重要因素。直到現(xiàn)在，拓?fù)浣^緣體材料中線性磁電阻的確切因素還不十分清楚。
最近，金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家(聯(lián)合)實驗室磁性材料與磁學(xué)研究部王振華項目研究員、張志東研究員等和美國凱斯西儲大學(xué)高翾教授合作，通過氣相化學(xué)沉積(CVD)的方法成功制備了Bi2Te3薄膜，研究發(fā)現(xiàn)這些薄膜材料是由Bi2Te3納米片連接而成。通過控制溫度、氣壓、輸運氣體流量等條件，可以控制制備不同尺寸納米片及不同納米片密度的薄膜材料。如圖1所示，Bi2Te3薄膜可以由不同密度及尺寸的納米片組成。和其他拓?fù)浣^緣體材料一樣，在該體系中發(fā)現(xiàn)線性磁電阻現(xiàn)象。如圖2所示，在很大溫度范圍內(nèi)，即使外場加到14T，仍顯示不飽和趨勢。通過研究不同致密度的薄膜材料，發(fā)現(xiàn)在很大遷移率范圍內(nèi)，線性磁電阻和材料遷移率間存在普遍關(guān)系，即同一材料中，磁電阻和遷移率都隨溫度增加而減小（圖3左）。而不同致密度薄膜材料中，磁電阻和遷移率成正比關(guān)系，而且磁電阻越小，遷移率也越?。▓D3右）。這些結(jié)果說明遷移率的漲落導(dǎo)致了典型線性磁電阻，這與Parish和Littlewood提出的理論完全吻合。有關(guān)Bi2Te3薄膜的研究結(jié)果提供了明確證據(jù)，證實材料物理上或結(jié)構(gòu)上不均勻性是線性磁電阻的來源，并且為控制拓?fù)浣^緣體材料磁電阻提供新的方法。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在Nano Letter 14 (2014) 6510。
圖1、典型Bi2Te3薄膜的掃描電鏡照片
圖2、不同溫度下典型Bi2Te3薄膜線性磁電阻與外磁場關(guān)系
圖3、左：Bi2Te3薄膜遷移率和磁電阻隨溫度變化關(guān)系。右：不同Bi2Te3薄膜的遷移率和磁電阻關(guān)系。
