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PPMS精彩案例分享丨定制化输运测量为量子材料研究提供有力手段!

发布日期:2021-09-16

近代量子力学和凝聚态物理学的建立,极大地扩展了人类对材料的认识,将材料研究从力学性能等宏观尺度拓展到了电子行为主导的微观尺度,超导、拓扑材料等新奇物态被相继发现,催生了量子材料器件研究及应用的新领域。


电输运性质是材料最基本的物理属性之一,量子材料新奇宏观物理效应如Shubnikov-de Haas(SdH)量子振荡、量子霍尔效应、反常量子霍尔效应等,都需要通过电输运测量来研究。此外电输运测量也是一种最广泛、最有力的研究手段,通过调控外界参量(如温度、磁场、压力等)和材料属性(如掺杂浓度、薄膜厚度等),可实现材料输运性质的可控调节,从而进一步揭示宏观物性背后的微观机理。Quantum Design公司的综合物性测量系统PPMS电输运选件为用户的输运测量提供了一个高效稳定可拓展的平台,助力用户获得高质量数据。



Mn掺杂Dirac半金属Cd3As2的可调SdH量子振荡研究


中科院金属所张志东、刘伟研究组及其合作单位对不同Mn掺杂浓度的拓扑Dirac半金属(Cd1-xMnx)3As2的SdH量子振荡特性展开系统研究,发现SdH振荡规律随掺杂浓度显著变化,说明材料费米面位置严重依赖Mn掺杂浓度,此外Mn原子在Dirac半金属中诱发了反铁磁性,因而可通过控制反铁磁序参量来调控材料拓扑性质[1]


*数据获取:14T磁场范围的综合物性测试系统(PPMS, Quantum Design),纵向电阻通过标准四端法测量[1]


SdH量子振荡是表征拓扑材料量子输运性质的有力工具,其振荡信号与材料的费米面结构直接相关。从上图不同Mn掺杂浓度的Cd3As2合金的电磁输运测试结果中可以看出,纵向磁阻随磁场演变存在明显振荡行为,且主要振荡随温度升高迅速衰减,振荡频率随Mn掺杂浓度增加迅速降低,表明Mn掺杂浓度严重影响材料费米面位置。


SdH量子振荡规律在不同温度(如2K,4K)的横向对比对系统的温度控制提出了很高要求,不仅需要温度值准确,更依赖于控温稳定,PPMS系统控温稳定性极高,在20K以上温度控制精细可达±0.02%,20K以下则为±0.2%。此外,根据SdH振荡数据分析费米面面积等物理参量,需要振荡数据精确光滑,才能进行高品质拟合,PPMS系统超导线圈激励磁场线性平稳的演变对高度精确的数据获取尤为重要。


电场调控大掺杂浓度铱氧化物Mott绝缘体的电子相图研究


元素掺杂可以实现对材料输运性质的调控,但受化学互溶性限制,载流子浓度调控一般在很小范围(几个%)。相较之下,栅压电场调控载流子浓度具有更多优势,原则上它可以在不影响材料有序程度的基础上可控可逆的改变载流子浓度,且不受互溶度限制,可以较大程度影响载流子水平。


清华大学物理系于浦教授课题组及合作者通过电场调控下的电输运研究,首次刻画了大掺杂浓度范围内铱氧化物Mott绝缘体的电子态的演化情况,全面描绘材料的电子相图,对关联材料的研究具有广泛启发性意义[2]


*数据获取:全新一代综合物性测试系统(PPMS DynaCool, Quantum Design),测量结构霍尔棒利用光刻技术,尺寸为1.6 mm*0.4 mm,并溅射一层Pt膜作为栅电极,整个结构浸入DEME-TFSI离子液体中,原位测量栅电压调控下的输运行为[2]

 

在本文中,作者通过电场调控方法首先将质子注入到 [SrIrO3/SrTiO3] 超晶格中,基于电中性原理,等量电子会被吸引并填充到靠近费米能的能带上,从而借助质子插入,实现对特定能带的电子填充。通过栅压电场调控下电输运的实时测量数据发现,随着电子掺杂浓度的增加,材料首先会从一个反铁磁Mott绝缘体被调控到一个高温区显示金属态、低温区显示弱绝缘化的电子态,继而又重新回到绝缘态,并随着整个能带的填满而变为一个能带绝缘体。


不同掺杂浓度的电子相图的全面刻画,源于不同电场调控下输运数据的详细测量。PPMS测量系统不仅提供高效准确的输运数据测量,而且用户可根据测量需要设计实验,增加栅压电极等,从而实现定制化测量


二维磁性纳米片CrSe2的层厚依赖可调磁序研究


除载流子浓度调控获得可调输运性质之外,低维量子材料物性的层厚依赖也是一个重要的研究方向。湖南大学段曦东教授及其合作单位在对二维磁性纳米片CrSe2的研究中发现,性质稳定的CrSe2纳米片可以很容易生长到无悬挂键的WSe2衬底上,其厚度可以可控地调节到单层极限。性质稳定、厚度可调的CrSe2纳米片将在极大程度上拓展二维磁性材料的实际应用前景,有望用于构建高自旋注入效率的自旋电子器件[3]


*数据获取:全新一代综合物性测试系统(PPMS DynaCool, Quantum Design),配备有一个或两个锁相放大器(SR830, Stanford)[3]

 

本文提出的在二维WSe2上气相外延生长的二维范德华磁性CrSe2纳米片,具有良好的范德华接触界面,厚度可调并具有良好的空气稳定性。从上图不同层厚纳米片的反常霍尔电阻的对比可以看出:随层厚增加,材料霍尔电阻幅值明显提升,表明材料由弱铁磁性变化到强铁磁性;另一方面随温度增加,反常霍尔电阻信号明显减弱,并在居里温度完全消失。纳米片在空气中放置六个月其电磁输运性质几乎没有变化,进一步验证了该材料的空气稳定性,同时也可以看出PPMS系统电输运测量的稳定性与可重复性,一个稳健的精细可控平台是输运实验研究的重要基础



电输运测量选件是Quantum Design综合物性测量系统PPMS最广泛使用选件之一,因为制样简单、测试通道多以及自动化程度高而深受用户欢迎。电输运样品托享有专利技术,全自动测量电阻率、霍尔系数等参量,配合基系统的变温(1.8-400K)和变磁场(PPMS最大磁场16T, PPMS DynaCool最大磁场14T)环境,可实现材料电磁输运特性的全面刻画。



PPMS的电输运测量不仅是一个高度自动化的平台,也是一个开放的平台:结合van der Pauw-Hall选件,方便快捷的采用van der Pauw法测量形状不规则但厚度均匀的样品电阻率和霍尔性质;结合转杆选件,搭配不同样品板,可以测量面内面外各向异性磁阻;结合高压腔,可以开展压力依赖的电输运研究。



PPMS的电输运测量也是一个可拓展的平台,在基本配置的基础上,用户可以根据自己的需要,定制化的增加电流源、电压源以及锁相放大器等设备。为满足客户定制化需求,Quantum Design公司也推出了多种型号的多功能样品杆,允许用户将外界仪表电源引线、光纤或者波导通过定制顶板引入样品空间,进行栅极电场调控、光电输运特性等定制化测量。



为方便用户对多种样品杆的制样情况进行外部检测,Quantum Design公司最新推出了一系列针对外接仪器仪表的测试台和接线盒设备,欢迎各位用户咨询采购。

 

 


参考文献:

[1]. J. Guo et al., Tunable quantum Shubnikov-de Hass oscillations in antiferromagnetic topological semimetal Mn-doped Cd3As2. Journal of Materials Science & Technology 76, 247-253 (2021).

[2]. M. Wang et al., Manipulate the Electronic State of Mott Iridate Superlattice through Protonation Induced Electron‐Filling. Advanced Functional Materials, 2100261 (2021).

[3]. B. Li et al., Van der Waals epitaxial growth of air-stable CrSe2 nanosheets with thickness-tunable magnetic order. Nature Materials, 20, 818-825 (2021).