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物理所發(fā)現(xiàn)ZrTe5中溫度誘導(dǎo)Lifshitz轉(zhuǎn)變及其拓?fù)浔举|(zhì)

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物理所發(fā)現(xiàn)ZrTe5中溫度誘導(dǎo)Lifshitz轉(zhuǎn)變及其拓?fù)浔举|(zhì)

摘要: 　　自上世紀(jì)70年代以來，科學(xué)家們就發(fā)現(xiàn)過渡金屬碲化物ZrTe5和HfTe5在電阻-溫度曲線上表現(xiàn)出一個(gè)寬峰，并且在寬峰溫度的上下，霍爾效應(yīng)和熱電勢(shì)所測(cè)得的載流子發(fā)生變號(hào)。盡管許多學(xué)習(xí)組對(duì)這一奇異的輸運(yùn)性質(zhì)做了學(xué) ...

　　自上世紀(jì)70年代以來，科學(xué)家們就發(fā)現(xiàn)過渡金屬碲化物ZrTe5和HfTe5在電阻-溫度曲線上表現(xiàn)出一個(gè)寬峰，并且在寬峰溫度的上下，霍爾效應(yīng)和熱電勢(shì)所測(cè)得的載流子發(fā)生變號(hào)。盡管許多學(xué)習(xí)組對(duì)這一奇異的輸運(yùn)性質(zhì)做了學(xué)習(xí)，但其起源一直是一個(gè)懸而未決的問題。近年來，量子拓?fù)洳牧蠈W(xué)習(xí)的興起導(dǎo)致發(fā)現(xiàn)了一大批包括拓?fù)浣^緣體、狄拉克半金屬、外爾半金屬等具有特殊電子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的材料。然而，已證實(shí)的二維拓?fù)浣^緣體（量子自旋霍爾絕緣體）極其稀少，基本上還是局限于需要復(fù)雜制備工藝的人工材料如HgTe/CdTe和InAs/GaSb量子阱等。因此，尋找并合成理想的大能隙二維拓?fù)浣^緣體材料對(duì)于基礎(chǔ)學(xué)習(xí)和高性能自旋電子學(xué)應(yīng)用尤為重要。最近，理論計(jì)算預(yù)言，單層的ZrTe5/ HfTe5是大能隙的量子自旋霍爾材料，在體能隙中存在著受拓?fù)浔Ｗo(hù)的邊緣態(tài)。塊材ZrTe5/ HfTe5可能處于強(qiáng)弱拓?fù)浣^緣體態(tài)的邊界，隨著層間距的減小，ZrTe5/ HfTe5有可能會(huì)由弱拓?fù)浣^緣體轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)拓?fù)浣^緣體，并且溫度引起的層間距減小有可能誘導(dǎo)這種拓?fù)湎嘧�。理論預(yù)言引發(fā)了大量關(guān)于ZrTe5的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)，但對(duì)其拓?fù)浔举|(zhì)仍然眾說紛紜，沒有定論。高分辨角分辨光電子能譜對(duì)ZrTe5電子結(jié)構(gòu)的直接測(cè)量，對(duì)理解其奇特輸運(yùn)性質(zhì)以及拓?fù)湫再|(zhì)具有重要意義。
　　中國(guó)科學(xué)院物理學(xué)習(xí)所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（籌）周興江學(xué)習(xí)組，與中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)學(xué)習(xí)所陳創(chuàng)天學(xué)習(xí)組及許祖彥學(xué)習(xí)組合作，在2013年研制成功了國(guó)際首臺(tái)基于真空紫外激光和飛行時(shí)間電子能量分析器的高分辨激光角分辨光電子能譜系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有同時(shí)探測(cè)二維動(dòng)量空間電子結(jié)構(gòu)信息、高能量動(dòng)量分辨、體效應(yīng)增強(qiáng)和低非線性效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn) (圖1)。
　　該學(xué)習(xí)組學(xué)習(xí)員劉國(guó)東及他的博士生張艷、王晨露、副學(xué)習(xí)員俞理，以及學(xué)習(xí)員周興江的博士生梁愛基、黃建偉等人，利用以上基于飛行時(shí)間電子能量分析器的高分辨激光角分辨光電子能譜技術(shù)，通過與方忠、戴希小組博士生聶思敏和學(xué)習(xí)員翁紅明進(jìn)行理論合作，與學(xué)習(xí)員陳根富及其博士生趙凌霄進(jìn)行樣品合作，系統(tǒng)地學(xué)習(xí)了ZrTe5的完整電子結(jié)構(gòu)及其隨溫度的演化情況。
　　實(shí)驗(yàn)獲得了高質(zhì)量的ZrTe5的費(fèi)米面結(jié)構(gòu)和能帶結(jié)構(gòu)（圖2），發(fā)現(xiàn)ZrTe5具有很大的費(fèi)米速度（2 - 4 eVǺ），并且表現(xiàn)出明顯的各向異性。首次同時(shí)觀察到導(dǎo)帶和價(jià)帶的能帶結(jié)構(gòu)，并學(xué)習(xí)了其隨溫度的演變（圖3）。在高溫下費(fèi)米能穿越價(jià)帶，形成空穴型費(fèi)米面；隨著溫度的降低，能帶向高結(jié)合能方向移動(dòng)，到135K時(shí)，費(fèi)米能正好處于導(dǎo)帶和價(jià)帶的中央；溫度繼續(xù)降低，費(fèi)米能則穿越導(dǎo)帶，變?yōu)殡娮有唾M(fèi)米面。這些結(jié)果表明在ZrTe5中存在溫度誘導(dǎo)的Lifshitz轉(zhuǎn)變（圖4）。而且該Lifshitz轉(zhuǎn)變與ZrTe5的輸運(yùn)性質(zhì)直接對(duì)應(yīng)，自然地解釋了ZrTe5中出現(xiàn)的電阻寬峰以及載流子類型在電阻峰值溫度上下的轉(zhuǎn)變。
　　此外，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)價(jià)帶與導(dǎo)帶之間存在能隙。隨著溫度的降低，能隙在不斷減小，到測(cè)量的最低溫度仍然沒有關(guān)閉（圖3）。在表面有許多一維裂紋的樣品中，觀測(cè)到了準(zhǔn)一維的能帶結(jié)構(gòu)和費(fèi)米面，極有可能對(duì)應(yīng)于理論預(yù)言的單層ZrTe5中受拓?fù)浔Ｗo(hù)的邊緣態(tài)（圖5）。這些結(jié)果表明，隨著溫度降低層間距減小，ZrTe5有從弱拓?fù)浣^緣體向強(qiáng)拓?fù)浣^緣體轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)。但是即使在最低溫2K下，導(dǎo)帶與價(jià)帶之間的帶隙仍然存在，而且?guī)吨袥]有觀測(cè)到對(duì)應(yīng)強(qiáng)拓?fù)浣^緣體表面態(tài)的狄拉克線性色散能帶，說明ZrTe5依然處于弱拓?fù)浣^緣體狀態(tài)。
　　這項(xiàng)工作首次觀測(cè)到了ZrTe5中存在的溫度誘導(dǎo)Lifshitz轉(zhuǎn)變，解決了長(zhǎng)久以來一直處于爭(zhēng)論狀態(tài)的反常輸運(yùn)行為的起源。首次給出了二維ZrTe5邊緣態(tài)的角分辨光電子能譜證據(jù)，澄清了塊材ZrTe5的拓?fù)浔举|(zhì)。該工作為推動(dòng)量子自旋霍爾效應(yīng)的進(jìn)一步學(xué)習(xí)和實(shí)際應(yīng)用，以及對(duì)拓?fù)湎嘧兊南嚓P(guān)學(xué)習(xí)，提供了重要的信息。
　　這一學(xué)習(xí)成果發(fā)表在近期的自然-通訊上[Nat. Commun. 8， 15512 (2017) ]。相關(guān)工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金委（11574367）、科技部（2013CB921700，2013CB921904，2015CB921300）和中科院先導(dǎo)B（XDB07020300）項(xiàng)目等基金的資助。



　　圖1：飛行時(shí)間電子能量分析型高分辨激光角分辨光電子能譜系統(tǒng)



　　圖2：（a-c）ZrTe5中，ac面的晶格結(jié)構(gòu)；ac面對(duì)應(yīng)的布里淵區(qū)；解理后ac 面的形貌；（d）ZrTe5的電阻溫度曲線；（e-h）195K下測(cè)量的，ZrTe5的費(fèi)米面及100meV，200 meV，300 meV結(jié)合能處的等能面；（i-l）特征cut的能帶結(jié)構(gòu)，分別對(duì)應(yīng)圖（g）中的cut 1-4。



　　圖3：ZrTe5中能帶隨溫度的變化。（a-b）ΓX，ΓY方向能帶隨溫度的演化；（c）不同溫度下，過Γ點(diǎn)的能量分布曲線（EDC）；（d）下支能帶（價(jià)帶）的下邊緣，上邊緣，上下支能帶中間譜重最小的位置三個(gè)量，隨溫度的變化；（e）下支能帶的上下邊緣差，上邊緣與中間譜重最小位置之差兩個(gè)量，隨溫度的變化；（f）不同溫度下，價(jià)帶和導(dǎo)帶之間直接能隙的大小。



　　圖4：ZrTe5中溫度誘導(dǎo)的lifshitz相變。（a-b）費(fèi)米面及100meV結(jié)合能處等能面隨溫度的變化；（c-f）不同溫度下，費(fèi)米面處及100meV等能面處過Γ的動(dòng)量分布曲線（MDC）；（g）費(fèi)米面大小隨溫度的變化；（h）費(fèi)米面譜重隨溫度的變化；（i）100meV等能面處MDC兩個(gè)峰位之差隨溫度的變化；（j）ZrTe5晶格常數(shù)b隨溫度的變化。



　　圖5：（a）解理后，ZrTe5表面有一維裂紋樣品的形貌；（b-c）費(fèi)米面及50meV結(jié)合能處的等能面；（d）圖（b）中cut 1-4費(fèi)米能處的MDC；（e）圖（b）中對(duì)應(yīng)cut 1 - 4 的能帶結(jié)構(gòu)。物理所發(fā)現(xiàn)ZrTe5中溫度誘導(dǎo)Lifshitz轉(zhuǎn)變及其拓?fù)浔举|(zhì)  |  責(zé)任編輯：蟲子
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