一直以來,大磁電阻的材料由于其在基礎研究和器件應用中所起的重要作用而倍受關注.半個世紀來,研究發現材料的經典磁電阻隨外磁場具有二次方關系,在大磁場下,磁電阻趨于飽和.特殊的是,非飽和線性磁電阻可能存在于具有開放費米面材料中.在能隙接近零(或較小)的半導體材料中發現多種有趣的磁電阻現象,如在銀摻雜Ag2+δSe和Ag2+δTe材料中發現反常大的線性磁電阻,很多理論試圖解釋這種非飽和線性磁電阻.在這些理論模型中,由Abrikosov等提出的"量子磁電阻"及由Parish和Littlewood提出的經典物理模型最為典型.Abrikosov等認為零能隙半導體因為只有一個朗道能級而在大磁場下具有量子限制,從而可能產生非飽和磁電阻.Parish和Littlewood則認為材料的非均勻性導致的電流漲落可能導致非飽和磁電阻.在過去幾年,由于拓撲絕緣體具有零能隙狄拉克表面態,拓撲絕緣體材料的磁電阻引起越來越多研究者關注.一些研究者在拓撲絕緣體單晶、薄膜、納米片等材料中發現線性磁電阻.他們認為單晶材料的線性磁電阻來源于材料二維無能隙拓撲表面態.另外,也有研究認為即使在單晶或薄膜材料中,電子不均勻和導電性漲落也是影響線性磁電阻的重要因素.直到現在,拓撲絕緣體材料中線性磁電阻的確切因素還不十分清楚.
最近,中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家(聯合)實驗室磁性材料與磁學研究部王振華項目研究員、張志東研究員等和美國凱斯西儲大學高翾教授合作,通過氣相化學沉積(CVD)的方法成功制備了Bi2Te3薄膜,研究發現這些薄膜材料是由Bi2Te3納米片連接而成.通過控制溫度、氣壓、輸運氣體流量等條件,可以控制制備不同尺寸納米片及不同納米片密度的薄膜材料.如圖1所示,Bi2Te3薄膜可以由不同密度及尺寸的納米片組成.和其他拓撲絕緣體材料一樣,在該體系中發現線性磁電阻現象.如圖2所示,在很大溫度范圍內,即使外場加到14T,仍顯示不飽和趨勢.通過研究不同致密度的薄膜材料,發現在很大遷移率范圍內,線性磁電阻和材料遷移率間存在普遍關系,即同一材料中,磁電阻和遷移率都隨溫度增加而減小(圖3左).而不同致密度薄膜材料中,磁電阻和遷移率成正比關系,而且磁電阻越小,遷移率也越小(圖3右).這些結果說明遷移率的漲落導致了典型線性磁電阻,這與Parish和Littlewood提出的理論完全吻合.有關Bi2Te3薄膜的研究結果提供了明確證據,證實材料物理上或結構上不均勻性是線性磁電阻的來源,并且為控制拓撲絕緣體材料磁電阻提供新的方法.相關研究結果發表于Nano Letter 14 (2014) 6510.
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