強自旋軌道耦合材料Sr2lrO4和ZrBi2的輸運行為研究.pdf

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

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，隨后重點介紹目前國際上研究熱門的幾種強自旋軌道耦合材料，比如拓撲絕緣體、拓撲半金屬、拓撲超導(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過渡族金屬氧化物中有很強的自旋軌道耦合作用，它與強電子關(guān)聯(lián)作用以

3、及晶體場一起決定了材料的基態(tài)，而這三種作用之間的相互競爭效應(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)言可以實現(xiàn)高溫超導(dǎo)。理論和計算研究中有很多將Sr2IrO4變成超導(dǎo)體的途徑，但是在實驗中卻一直沒能實現(xiàn)。實驗上最接近Sr2IrO4超導(dǎo)的應(yīng)該是STS譜探測到的類似d波的實驗和ARPES實驗中

4、觀測到的費米弧，但這兩種實驗結(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的摻雜和加壓的實驗研究，可以看出單晶中很容易實現(xiàn)金屬性，但是多晶Sr2IrO4中卻很少有實現(xiàn)金屬性的實驗結(jié)果，同時，Sr2IrO4的絕緣體的電輸運性質(zhì)對壓力不敏感。
　　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，表征實驗顯示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+。輸運方面的測試顯示Ga的摻雜降低了Sr2IrO4的電阻率和弱鐵磁性，當(dāng)摻雜達到5％時會使得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Sr2-xGaxIrO4多晶樣品在低溫下出現(xiàn)一個新的磁性轉(zhuǎn)變，這個磁性變化是和Ir4+之間通過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，實驗結(jié)果顯示，Ba的摻雜只是扳直了Sr2IrO4中Ir-O-Ir的鍵角，幾乎沒有引入載流子，而La摻雜則引入了電子型載流子，對Ir-O-Ir鍵角的影響很小;輸運方面的測試顯示，Ba的摻雜幾乎對體系的電阻率和磁性沒有影響，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鍵角對輸運性質(zhì)的影響遠遠沒有載流子對輸運的影響大。
　　第五章介紹了ZrBi2的生長和研究。我們生長出了一種金屬Bi化物單晶ZrBi2，對ZrBi2的電輸運測量發(fā)現(xiàn)和很多的超導(dǎo)Bi化物不同，ZrBi2到2K下都未超導(dǎo)，磁阻的測量顯示ZrBi2在2K下的磁阻達到了400％，且磁阻與磁場的關(guān)系不是正常金屬的平方關(guān)系，通過不同溫度的磁阻測量我們