物理学院 School of Physics, Nanjing University

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缪峰课题组在二锑化钨巨磁阻物理机制研究方面取得重要进展

2019年06月03日

三十年前,磁性多层结构中巨磁阻效应的发现直接导致了固态存储硬盘的小型化革命。巨磁阻效应一般出现在磁性材料中,非磁性材料通常具有较小的磁电阻;但是,在2014年,有实验发现非磁性块体材料二锑化钨(WTe2)在低温下电阻随磁场的增加出现不饱和增长现象,磁电阻在60 T时达1.3×107%。巨大的不饱和磁电阻特性使得WTe2受到了广泛关注,也导致WTe2中其它一些有趣的物理性质(如拓扑态、超导、铁电等)随后陆续被发现。作为一种非磁性材料,WTe2中巨磁阻的物理机制受到了学术界极大的关注;在之前的研究中,人们提出了多种可能的物理解释,如电子空穴补偿、高迁移率、复杂的自旋结构等,然而到目前为止,WTe2中产生巨磁阻的根本原因仍然存在争议。

我院缪峰教授课题组近年来围绕WTe2的物理特性开展了系统的研究,包括首次通过电学输运手段证实了WTe2作为第二类外尔半金属的理论预言(Nat. Comm. 7, 13142 (2016)),并利用近邻效应诱导在WTe2中实现了本征超导(Nano Lett. 18, 7962 (2018))。近日,缪峰课题组利用原位栅压调控方法,证明了WTe2中的电子空穴补偿是不饱和磁电阻产生的根本原因,同时在薄膜WTe2中实现了高达10600%的巨大磁电阻(比以往研究报道中类似厚度薄膜的磁电阻高出1-2个量级)。这项工作不仅揭示了WTe2中巨磁阻效应的物理机制,也对探索和理解其它非磁性材料中巨磁阻效应的物理机制具有重要的指导意义。

虽然块体WTe2具有非常大的磁电阻,但是实验普遍发现薄膜WTe2中的磁电阻与体块相比小很多,而且发现材料表面氧化会极大地影响磁电阻值。为了避免薄膜的氧化,缪峰课题组利用干法转移技术制作了h-BN保护的高质量WTe2薄膜器件(如图a所示,薄膜厚度约10 nm),同时利用h-BN作为栅介质原位调控WTe2中的载流子浓度。实验上观测到磁电阻随栅压呈现非单调变化(如图b),通过理论分析载流子浓度及迁移率特性,发现磁电阻的变化强烈依赖于电子和空穴浓度之比,在电子和空穴相互补偿时ne/np=1磁电阻达到极大值(14T时达到10600%),从而有力地证明电荷补偿机制是产生巨大且不饱和磁电阻效应的根本原因。进一步,在保持电子和空穴补偿的情况下,研究发现磁电阻和载流子迁移率具有相似的温度变化依赖特征(如图cd所示),从而清楚地揭示了高温下磁电阻的降低是由电声子散射导致。

该工作以“Direct evidence for charge compensation induced large magnetoresistance in thin WTe2为题,于近日(2019513日)在线发表在Nano Letters上(DOI: 10.1021/acs.nanolett.9b01275)。我院博士王瑶佳、博士生王利铮为该工作共同第一作者,缪峰教授和梁世军副研究员为该工作的共同通讯作者。中科院物理研究所的石友国研究员为该工作提供了实验材料的支持。该项研究得到微结构科学与技术协同创新中心的支持,以及国家重点基础研究项目、国家自然科学基金、江苏省青年科学基金、中央高校基本科研专项经费、南京大学博士生A/B提升计划等项目的资助。


a. h-BN保护的WTe2薄膜器件图(下)及器件侧视示意图(上)。 b. 磁电阻以及电子空穴浓度比随栅压的变化。c.磁电阻随温度变化曲线。d. 迁移率随随温度变化曲线,插图:电子空穴浓度比随温度变化曲线。

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