[发明专利]一种具有巨大磁电阻的HfTe5-δ晶体及其生长方法

说明书

技术领域

本发明属于晶体生长技术领域，特别涉及一种具有巨大磁电阻的HfTe_5-δ晶体及其生长方法。

背景技术

磁电阻效应(Mgnetoresistance,MR)是指导体或半导体材料在磁场作用下电阻值发生变化的效应，表达式为：

其中其中B表示外加磁场，ρ_xx(B)和ρ_xx(B)分别表示外加磁场B和不加磁场下电阻率，磁阻值MR反映了体系电阻在加磁场和不加磁场下的变化。巨大的磁阻效应现已广泛应用于硬盘的磁头和各种传感器中，目前相关基础和应用的研究已形成研究热点。巨磁阻效应成为凝聚态物理领域的研究热点之一。毫无疑问，对于具有巨大磁阻效应的，且制备方法与工艺简单的新型巨大磁阻材料及器件的研究与发明均具有相当重要的研究价值。

本发明中所涉及的HfTe₅与ZrTe₅一样是一种准一维层状材料，最早于1973年被合成出来，其晶体结构属于正交晶系(点群)。之前对于该材料体系的研究主要集中在它的电阻-温度关系异常，人们在测量HfTe₅晶体样品的电阻随温度的变化时发现：从300K开始，随着温度的下降，样品电阻率先是逐渐变小，在120K附近突然开始上升，在70K左右达到峰值，如果温度进一步降低，样品电阻率反而急剧下降，当温度到达10K时样品的电阻率比在室温时(300K)还要小。对于同类化合物ZrTe₅，在150K左右也出现一个明显的电阻异常峰。这一现象一经发现，立刻引起了人们的广泛关注。早期的理论认为，这种电阻异常可能与NbSe₃类似，是由于电荷密度波(Charge Density Wave,简称CDW)的形成。但在XRD实验中，人们并没有发现明显的超晶格结构所特有的衍射斑点，也没有测量出线性电导的存在，所测电阻率的各向异性也较小，这些发现显然与CDW解释相左。随后，人们通过测量材料的热电功率发现，在异常峰前后，热电功率由正变负，说明样品中的主要载流子类型发生了明显变化：由高温时的空穴为主转为低温时的电子为主。此外随着磁场的增加，异常峰越来越明显，并且逐渐向高温移动。同时ZrTe₅样品在受不同应力时，其异常峰的位置随所受应力的增大而逐渐向高温区移动。

上述的这一系列发现表明，异常峰的出现不可能是电子—声子相互作用，而可能是电子性质起源，因为它对其他过渡金属参杂、外磁场以及应力等因素非常敏感。最近物理所的方忠教授等人通过理论计算，预言ZrTe₅/HfTe₅是一种新的拓扑绝缘体，其中单层是一种二维拓扑绝缘体，具有拓扑非平庸的能带结构及受拓扑保护的边界态，多层的体块则位于强、弱拓扑绝缘体之间。针对HfTe₅的拓扑性质最近也有一些输运研究工作，北京大学的Wang等人(H.Wang,C.-K.Li,H.Liu,J.Yan,J.Wang,J.Liu,Z.Lin,Y.Li,Y.Wang,L.Li,D.Mandrus,X.C.Xie,J.Feng,and J.Wang.Phys.Rev.B 93,165127(2016))以及中科院物理所陈根富研究小组(L.X.Zhao,X.C.Huang,Y.J.Long,D.Chen,H.Liang,Z.H.Yang,M.Q.Xue,Z.A.Ren,H.M.Weng,Z.Fang,X.Dai,G.F.Chen.arXiv:1512.07360(2016))，通过对HfTe₅晶体样品电输运测量，发现HfTe₅的电阻-温度关系异常是来由于其表面态电子以及低温下缺陷激活出的电子载流子的出现。同时这两个研究小组是分别采用气相输运法与助熔剂法两种不同方法生长晶体，电输运测量出的电阻异常峰的位置明显不同(分别在65K和40K)，这可能是由于不同生长方法生长出来的晶体缺陷不同导致的，因为理论上来说表面态电子基本不会发生变化。

发明内容

基于以上的现有技术，本发明通过优化生长工艺，控制晶体的缺陷浓度，使之激发出的电子载流子加上表面态电子能够与体态本身固有的空穴载流子共振补偿，从而获得一种具有巨大磁阻效应的HfTe_5-δ单晶体。

本发明的技术解决方案：