強(qiáng)自旋軌道耦合材料Sr2lrO4和ZrBi2的輸運(yùn)行為研究.pdf

1、自旋軌道耦合作用是指粒子的自旋角動(dòng)量和軌道角動(dòng)量之間的相互作用，在材料中自旋軌道耦合作用往往會(huì)對(duì)系統(tǒng)的哈密頓量添加一個(gè)作用相，對(duì)于一般材料來(lái)說(shuō)自旋軌道耦合作用很弱，比起其他的能量差幾個(gè)數(shù)量級(jí)，所以這些材料中的自旋軌道耦合作用僅僅被當(dāng)做一個(gè)微擾，對(duì)材料的物性影響不大。但是對(duì)于一些含有重原子的材料來(lái)說(shuō)，重原子的自旋軌道耦合作用很強(qiáng)，往往對(duì)材料的物理性質(zhì)起到了比較強(qiáng)的作用，因此這些材料中也會(huì)出現(xiàn)一些新奇的物理現(xiàn)象。本論文首先介紹一些強(qiáng)自旋軌道

2、耦合材料中的一些新奇現(xiàn)象，隨后介紹兩種強(qiáng)自旋軌道耦合材料Sr2IrO4和ZrBi2的物性研究。
　　第一章首先介紹自旋軌道耦合的起因、大小以及分類，隨后重點(diǎn)介紹目前國(guó)際上研究熱門的幾種強(qiáng)自旋軌道耦合材料，比如拓?fù)浣^緣體、拓?fù)浒虢饘佟⑼負(fù)涑瑢?dǎo)體、Axion絕緣體、Slater絕緣體以及量子自旋液體。
　　第二章主要介紹銥氧化物以及Sr2IrO4的一些研究現(xiàn)狀。5d過(guò)渡族金屬氧化物中有很強(qiáng)的自旋軌道耦合作用，它與強(qiáng)電子關(guān)聯(lián)作用以

3、及晶體場(chǎng)一起決定了材料的基態(tài)，而這三種作用之間的相互競(jìng)爭(zhēng)效應(yīng)也導(dǎo)致了銥氧化物中豐富多彩的物理性質(zhì)。Sr2IrO4是一種自旋軌道耦合作用導(dǎo)致的Mott絕緣體材料，由于與銅氧化物超導(dǎo)體母體材料La2CuO4具有類似的晶格結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)，Sr2IrO4被預(yù)言可以實(shí)現(xiàn)高溫超導(dǎo)。理論和計(jì)算研究中有很多將Sr2IrO4變成超導(dǎo)體的途徑，但是在實(shí)驗(yàn)中卻一直沒(méi)能實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)上最接近Sr2IrO4超導(dǎo)的應(yīng)該是STS譜探測(cè)到的類似d波的實(shí)驗(yàn)和ARPES實(shí)驗(yàn)中

4、觀測(cè)到的費(fèi)米弧，但這兩種實(shí)驗(yàn)結(jié)果都不能給出超導(dǎo)電性的直接證據(jù)。本章中還介紹了一些Sr2IrO4的摻雜和加壓的實(shí)驗(yàn)研究，可以看出單晶中很容易實(shí)現(xiàn)金屬性，但是多晶Sr2IrO4中卻很少有實(shí)現(xiàn)金屬性的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，同時(shí)，Sr2IrO4的絕緣體的電輸運(yùn)性質(zhì)對(duì)壓力不敏感。
　　從第三章到第五章介紹的是我在博士學(xué)習(xí)期間獲得的一些科研成果，分兩種體系。
　　第三章中介紹了Sr2IrO4中Ga摻雜效應(yīng)的研究。我們成功制備了一系列Sr2-xGax

5、IrO4多晶樣品，表征實(shí)驗(yàn)顯示Ga的摻雜并未引起結(jié)構(gòu)變化，Ga的摻雜引入了載流子，使得Sr2IrO4中部分的Ir4+變成Ir3+。輸運(yùn)方面的測(cè)試顯示Ga的摻雜降低了Sr2IrO4的電阻率和弱鐵磁性，當(dāng)摻雜達(dá)到5％時(shí)會(huì)使得Sr2-xGaxIrO4多晶樣品高溫下出現(xiàn)金屬性，這和減弱的帶隙以及增加的載流子濃度有關(guān)系;當(dāng)摻雜量在2.5％-5％之間時(shí)Sr2-xGaxIrO4多晶樣品在低溫下出現(xiàn)一個(gè)新的磁性轉(zhuǎn)變，這個(gè)磁性變化是和Ir4+之間通過(guò)Ir

6、3+的交換作用相關(guān)，轉(zhuǎn)變前后都是反鐵磁態(tài)。
　　第四章介紹了Sr2IrO4中Ir-O-Ir鍵角和載流子濃度對(duì)物性影響的研究。我們制備了一系列Ba摻雜的Sr2IrO4多晶樣品和La摻雜的Sr2IrO4多晶樣品，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，Ba的摻雜只是扳直了Sr2IrO4中Ir-O-Ir的鍵角，幾乎沒(méi)有引入載流子，而La摻雜則引入了電子型載流子，對(duì)Ir-O-Ir鍵角的影響很小;輸運(yùn)方面的測(cè)試顯示，Ba的摻雜幾乎對(duì)體系的電阻率和磁性沒(méi)有影響，相反L

7、a的摻雜很明顯的降低了體系的電阻率和磁性。綜合以上結(jié)果我們指出，Sr2IrO4中Ir-O-Ir鍵角對(duì)輸運(yùn)性質(zhì)的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有載流子對(duì)輸運(yùn)的影響大。
　　第五章介紹了ZrBi2的生長(zhǎng)和研究。我們生長(zhǎng)出了一種金屬Bi化物單晶ZrBi2，對(duì)ZrBi2的電輸運(yùn)測(cè)量發(fā)現(xiàn)和很多的超導(dǎo)Bi化物不同，ZrBi2到2K下都未超導(dǎo)，磁阻的測(cè)量顯示ZrBi2在2K下的磁阻達(dá)到了400％，且磁阻與磁場(chǎng)的關(guān)系不是正常金屬的平方關(guān)系，通過(guò)不同溫度的磁阻測(cè)量我們