線性磁電阻是一種新型的磁電阻行為，由于具有線性變化特征，它對未來新型磁電阻器件的開發(fā)具有重要的應(yīng)用價(jià)值與科學(xué)意義。拓?fù)渚w絕緣體是一類新型的拓?fù)洳牧希煌谕負(fù)浣^緣體，其拓?fù)浔Ｗo(hù)不是來自時(shí)間反演對稱性，而是來自晶格對稱性，因此更容易利用結(jié)構(gòu)因素對其晶格對稱性進(jìn)行調(diào)控，以達(dá)到調(diào)控其拓?fù)浔砻鎽B(tài)，進(jìn)而調(diào)控其表面電輸運(yùn)的目標(biāo)。在單晶拓?fù)渚w絕緣體薄膜上，如果實(shí)現(xiàn)線性磁電阻，進(jìn)一步利用結(jié)構(gòu)對稱性來調(diào)控其拓?fù)浔砻鎽B(tài)，將為拓?fù)渚w絕緣體真正應(yīng)用于自旋電子學(xué)器件奠定重要基礎(chǔ)，也會(huì)為拓?fù)渚w絕緣體的電磁輸運(yùn)機(jī)制理論研究提供重要的實(shí)驗(yàn)支撐。
近期，金屬所沈陽材料科學(xué)國家研究中心功能材料與器件研究部張志東研究員、馬嵩項(xiàng)目研究員與美國Case Western Reserve大學(xué)高翾教授合作，利用分子束外延系統(tǒng)，在SrTiO3(111)單晶襯底上可控生長了PbTe/SnTe單晶異質(zhì)結(jié)，觀察到2150%的超大非飽和線性磁電阻(2K,14T)。通過分析發(fā)現(xiàn)此類異質(zhì)結(jié)在低溫下顯示與拓?fù)浔砻鎽B(tài)Dirac電子相關(guān)的強(qiáng)金屬導(dǎo)電特征，載流子具有超高遷移率。進(jìn)一步控制生長條件，實(shí)現(xiàn)界面Pb原子可控?cái)U(kuò)散并改變SnTe薄膜中空穴濃度，誘導(dǎo)了SnTe薄膜的立方-菱方結(jié)構(gòu)相變，引起了SnTe薄膜的結(jié)構(gòu)對稱性破缺，使PbTe/SnTe異質(zhì)結(jié)的線性磁輸運(yùn)行為轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)度降低幾百倍的弱磁阻變化特征。
對超高線性磁電阻PbTe/SnTe異質(zhì)結(jié)的深入研究發(fā)現(xiàn)，利用Van de Pauw與Corbino兩類測量方法均可測得未飽和線性磁電阻。通過分析，PbTe/SnTe拓?fù)渚w絕緣體異質(zhì)結(jié)的電輸運(yùn)行為由多種載流子貢獻(xiàn)。在低溫區(qū)，電輸運(yùn)由表面態(tài)Dirac電子主導(dǎo)；在室溫區(qū)，電輸運(yùn)由體空穴主導(dǎo)。進(jìn)一步深入研究發(fā)現(xiàn)，PbTe/SnTe異質(zhì)結(jié)的線性磁電阻不能由經(jīng)典Drude模型描述，說明其電輸運(yùn)行為具有不同于傳統(tǒng)的電輸運(yùn)物理本質(zhì)。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)工作為拓?fù)洳牧系碾娸斶\(yùn)理論研究提供了一種新的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐。
以上相關(guān)實(shí)驗(yàn)工作由金屬所博士生魏鋒與Case Western Reserve大學(xué)博士后劉玠汶共同完成。相關(guān)論文分別在Physical Review B (Rapid Communications)與NanoLetters上在線發(fā)表。該項(xiàng)工作得到了國家自然科學(xué)基金、科技部重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目和美國國家自然科學(xué)基金資助。
圖1 PbTe/SnTe異質(zhì)結(jié)線性磁電阻與弱反局域現(xiàn)象
圖2 PbTe/SnTe異質(zhì)結(jié)的Van de Pauwg與Corbino測量示意圖與線性磁電阻擬合
