CeSb单晶的电磁性质研究_瞿斌晨.pdf

常熟理工学院学报（自然科学）Journal of Changshu Institute of Technology（Natural Sciences）第 37 卷第 2 期2023 年 3 月Vol.37 No.2Mar.,2023CeSb 单晶的电磁性质研究瞿斌晨a，殷嘉成a，郭允梁a，房 勇a,b（常熟理工学院 a.电子信息工程学院；b.江苏省新型功能材料重点建设实验室，江苏 常熟 215500）摘要：稀土磷族化合物被认为是潜在的拓扑量子材料 本文以CeSb为研究对象，开展磁化率和电阻率的温度、磁场和角度依赖性研究 研究发现低温 CeSb 具有多个磁性相，在磁场作用下表现出反铁磁-铁磁转变以及补偿型磁电阻行为和磁电阻平台特征 另外，相比于非磁性和 Gd 基姊妹化合物，CeSb的低温转角磁电阻在(2n+1)/4(n=0,1,3,4)处出现极小值，表明该体系中磁性与电输运性质相互耦合 研究结果有助于深入理解稀土磷族化合物的磁电输运性质以及电子结构特征关键词：稀土化合物；磁性；磁电阻中图分类号：O469 文献标志码：A 文章编号：1008-2794（2023）02-0001-03收稿日期：2022-10-06通信作者：房勇，副教授，博士，研究方向：拓扑量子物性，E-mail：拓扑量子材料因其特殊的电子能带结构吸引了广泛的关注 1-5，是当前凝聚态物理研究的热点话题之一 最近，Zeng 等人通过第一性原理计算发现 La 和磷族元素组成的化合物 LaPn（立方熔盐矿结构，Pn=N,P,As,Sb 和 Bi）可能是拓扑狄拉克半金属(Pn=N)，也有可能是拓扑绝缘体(Pn=P,As,Sb,Bi)6 进一步的电输运、光谱及理论计算表明该体系中存在极大的磁电阻效应、电阻平台以及类似狄拉克锥的色散关系等 7-11 值得注意的是，稀土族大部分元素都有部分填充的4f壳层，对外表现出铁磁或者反铁磁性等 3-5,12 因此，研究其他稀土族磷族化合物将为深入理解自旋序对拓扑量子材料物性的影响提供证据我们通过助溶剂法生长了高质量的 CeSb 单晶并研究了它的磁化率()和电阻率()随温度(T)、磁场(B)以及角度()的变化关系 不同于别的姊妹化合物，CeSb 在降温过程中经历多个磁性相，在增强磁场的过程中经历反铁磁-铁磁相变 和其他姊妹化合物类似，CeSb在低温下也展现出极大的磁电阻效应，并在反铁磁-铁磁相变临界磁场附近出现磁电阻异常行为 有意思的是，我们还发现不同于非磁性以及 Gd 基姊妹图 1 （a）CeSb 的单晶 X 光衍射图谱；（b）CeSb 的磁化率随温度的变化关系；（c）CeSb 的磁化强度随磁场的变化关系化合物，CeSb 的转角磁电阻在(2n+1)/4(n=0,1,3,4)处 出 现 磁电阻极小值我们认为等温磁电阻以及转角磁电阻中的磁电阻异常与磁场（角度）下磁性的变化有关图1(a)是CeSb单晶的X光衍射图谱 很明显，我们只看到Intensity/(a.u.)2/()T/K0H/TM/(emug-1)DOI:10.16101/32-1749/z.2023.02.001常熟理工学院学报（自然科学）2023 年2一系列的（001）衍射峰 这说明 X 光照射的平面是 CeSb 单晶的 ab 面 图 1(b)是 CeSb 的磁化率在 0.1 T 磁场下随温度的变化关系 正如所见，磁化率随着温度的降低逐渐增加并在17 K左右达到最大值，随后开始下降 进一步降低温度，磁化率再一次上升并在 8 K 附近再一次达到最大值，随后再一次降低 这些现象说明CeSb 在低温下经历多个磁性相 为了明确低温 CeSb 的详细磁性相，中子衍射或者比热是必不可少的手段图 1(c)是 2 K 下 CeSb 的等温磁化曲线如图所示，我们可以看出，随着磁场的增加，CeSb 在 2 T 左右经历反铁磁-铁磁转变，并在 4 T 左右所有磁矩沿着外磁场的方向排列（单个 Ce 原子的磁矩为 2.25 B）3 图 2（a）是 0 和 9 T 磁场下 CeSb 的变温电阻率 0 T 下 CeSb 的电阻率随着温度的降低逐渐减小，说明该体系具有金属导电性 3 值得注意的是，在 18 K 附近，电阻率剧烈下降，这是由于顺磁-反铁磁转变之后自旋相关散射变弱的缘故 5 为了研究磁场对电阻率的影响，我们进一步测量了 9 T 下图 2 （a）0 和 9 T 磁场下 CeSb 的变温电阻率；（b）磁电阻的磁场依赖关系；（c）2 K 和 9 T 下 CeSb 的转角磁电阻的变温电阻率，发现强磁场下低温电阻率变化明显，说明磁场可以增加 CeSb 的电阻率，暗示可能出现正的磁电阻效应 另外，我们还注意到 0 和 9 T 的变温电阻率曲线在 17 K 附近交叉，说明随着温度变化 CeSb 的磁电阻将由正变负 图2（b）是2 K下CeSb的磁电阻曲线 我们可以清楚地看到随着外加磁场越来越大，磁电阻也逐渐变大，在 9 T 时候到达 5104%简单拟合磁电阻曲线，我们发现磁电阻与磁场的平方成正比，这暗示着该材料中空穴和电子的浓度大抵相同 4 图 2（c）是 2 K 和不同磁场下 CeSb 的磁电阻与角度的对应关系 我们可以看到不同于非磁性和 Gd 基磷族姊妹材料 13-16，CeSb 的转角磁电阻在(2n+1)/4(n=0,1,3,4)处出现磁电阻极小值 我们知道稀土磷族化合物的磁电阻与磁场的平方成正比，那么(2n+1)/4(n=0,1,3,4)处出现的磁电阻极小值对应于此处磁化强度出现的最小值 有文献报道，CeSb 的易磁化方向沿 a、b、c 轴 17 假定 9 T 和转角过程中 CeSb 始终保持铁磁态，那么随着磁场偏离主轴方向，其分量逐渐减小，磁化强度也逐渐降低 再考虑对称性，我们可以断定磁化强度在(2n+1)/4(n=0,1,3,4)处最小 根据 MR B2，磁电阻的最小值出现在(2n+1)/4(n=0,1,3,4)处就很容易理解了本文通过对不同温度、磁场及角度下CeSb的磁化率和电阻率的研究，发现该化合物具有极大的磁电阻、丰富的磁性相及与磁化密切相关的磁电阻异常行为 我们的工作将为进一步研究其他稀土磷族化合物的磁电输运性质提供实验和理论依据参考文献 1 冯硝，徐勇，何珂，等拓扑量子材料简介 J 物理，2022，51（9）：624-632 2 唐峰，万贤纲基于对称性指标预测拓扑材料 J 物理，2019，48（6）：341-356 3 FANG Y,TANG F,RUAN Y R,et al.Magnetic-field-induced nontrivial electronic state in the Kondo-lattice semimetal CeSb J.Physical Review B,2020,101(9):094424.4 FAN L Y,TANG F,MENG W Z,et al.Anisotropic and extreme magnetoresistance in the magnetic semimetal candidate erbium monobismuthide J.Physical Review B,2020,102(10):104417.5 XIA Z L,TANG F,XU C Q,et al.Influence of magnetization anisotropy on angular magnetoresistance in the antiferromagnetic topological semimetal HoSb J.Physical Review B,2022,106(11):115137.6 ZENG M,FANG C,CHANG G,et al.Topological semimetals and topological insulators in rare earth monopnictides J/OL.https:/arxiv.org/abs/1504.03492.7 TAFTI F F,GIBSON Q D,KUSHWAHA S K,et al.Resistivity plateau and extreme magnetoresistance in LaSb J.Nature Physics,（a）（b）（c）第 2 期3 2016,12(3):272-277.8 ZENG L K,LOU R,WU D S,et al.Compensated semimetal LaSb with unsaturated magnetoresistance J.Physical review letters,2016,117(12):127204.9 GUO P J,YANG H C,ZHANG B J,et al.Charge compensation in extremely large magnetoresistance materials LaSb and LaBi revealed by first-principles calculations J.Physical Review B,2016,93(23):235142.10 JIANG J,SCHRTER N B M,WU S C,et al.Observation of topological surface states and strong electron/hole imbalance in extreme magnetoresistance compound LaBi J.Physical Review Materials,2018,2(2):024201.11 NAYAK J,WU S C,KUMAR N,et al.Multiple Dirac cones at the surface of the topological metal LaBi J.Nature communications,2017,8(1):1-5.12 TANG F,SHEN X,ZHOU J,et al.Anisotropic large magnetoresistance and Fermi surface topology of terbium monoantimonide J.Materials Today Physics,2022,24:100657.13 QIAN B,TANG F,RUAN Y R,et al.Extremely large magnetoresistance in the nonmagnetic semimetal YBi J.Journal of Materials Chemistry C,2018,6(37):10020-10029.14 FAN L Y,TANG F,MENG W Z,et al.Anisotropic and extreme magnetoresistance in the magnetic semimetal candidate erbium monobismuthide J.Physical Review B,2020,102(10):104417.15 SONG J J,TANG F,ZHOU W,et al.Extremely large magnetoresistance in the antiferromagnetic semimetal GdSb J.Journal of Materials Chemistry C,2018,6(12):3026-3033.16 YE L,SUZUKI T,WICKER C R,et al.Extreme magnetoresistance in magnetic rare-earth monopnictides J.Physical Review B,2018,97(8):081108.17 ROSSAT-MIGNOD J,BURLET P,VILLAIN J,et al.Phase