近代量子力學(xué)和凝聚態(tài)物理學(xué)的建立，大地?cái)U(kuò)展了人類對(duì)材料的認(rèn)識(shí)，將材料研究從力學(xué)性能等宏觀尺度拓展到了電子行為主導(dǎo)的微觀尺度，超導(dǎo)、拓?fù)洳牧系刃缕嫖飸B(tài)被相繼發(fā)現(xiàn)，催生了量子材料器件研究及應(yīng)用的新領(lǐng)域。
電輸運(yùn)性質(zhì)是材料基本的物理屬性之一，量子材料新奇宏觀物理效應(yīng)如Shubnikov-de Haas(SdH)量子振蕩、量子霍爾效應(yīng)、反常量子霍爾效應(yīng)等，都需要通過(guò)電輸運(yùn)測(cè)量來(lái)研究。此外電輸運(yùn)測(cè)量也是一種zui廣泛zui有力的研究手段，通過(guò)調(diào)控外界參量（如溫度、磁場(chǎng)、壓力等）和材料屬性（如摻雜濃度、薄膜厚度等），可實(shí)現(xiàn)材料輸運(yùn)性質(zhì)的可控調(diào)節(jié)，從而進(jìn)一步揭示宏觀物性背后的微觀機(jī)理。Quantum Design公司的綜合物性測(cè)量系統(tǒng)PPMS電輸運(yùn)選件為用戶的輸運(yùn)測(cè)量提供了一個(gè)高 效穩(wěn)定可拓展的平臺(tái)，助力用戶獲得高質(zhì)量數(shù)據(jù)。
Mn摻雜Dirac半金屬Cd3As2的可調(diào)SdH量子振蕩研究
中科院金屬所張志東、劉偉研究組及其合作單位對(duì)不同Mn摻雜濃度的拓?fù)銬irac半金屬（Cd1-xMnx)3As2的SdH量子振蕩特性展開系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)SdH振蕩規(guī)律隨摻雜濃度顯著變化，說(shuō)明材料費(fèi)米面位置嚴(yán)重依賴Mn摻雜濃度，此外Mn原子在Dirac半金屬中誘發(fā)了反鐵磁性，因而可通過(guò)控制反鐵磁序參量來(lái)調(diào)控材料拓?fù)湫再|(zhì)[1]。
*數(shù)據(jù)獲?。?4T磁場(chǎng)范圍的綜合物性測(cè)試系統(tǒng)（PPMS, Quantum Design），縱向電阻通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)四端法測(cè)量[1]。
SdH量子振蕩是表征拓?fù)洳牧狭孔虞斶\(yùn)性質(zhì)的有力工具，其振蕩信號(hào)與材料的費(fèi)米面結(jié)構(gòu)直接相關(guān)。從上圖不同Mn摻雜濃度的Cd3As2合金的電磁輸運(yùn)測(cè)試結(jié)果中可以看出，縱向磁阻隨磁場(chǎng)演變存在明顯振蕩行為，且主要振蕩隨溫度升高迅速衰減，振蕩頻率隨Mn摻雜濃度增加迅速降低，表明Mn摻雜濃度嚴(yán)重影響材料費(fèi)米面位置。
SdH量子振蕩規(guī)律在不同溫度（如2K，4K）的橫向?qū)Ρ葘?duì)系統(tǒng)的溫度控制提出了很高要求，不僅需要溫度值準(zhǔn)確，更依賴于控溫穩(wěn)定，PPMS系統(tǒng)控溫穩(wěn)定性高，在20K以上溫度控制精細(xì)可達(dá)±0.02%，20K以下則為±0.2%。此外，根據(jù)SdH振蕩數(shù)據(jù)分析費(fèi)米面面積等物理參量，需要振蕩數(shù)據(jù)光滑，才能進(jìn)行高品質(zhì)擬合，PPMS系統(tǒng)超導(dǎo)線圈激勵(lì)磁場(chǎng)線性平穩(wěn)的演變對(duì)高度的數(shù)據(jù)獲取尤為重要。
電場(chǎng)調(diào)控大摻雜濃度銥氧化物Mott絕緣體的電子相圖研究
元素?fù)诫s可以實(shí)現(xiàn)對(duì)材料輸運(yùn)性質(zhì)的調(diào)控，但受化學(xué)互溶性限制，載流子濃度調(diào)控一般在很小范圍（幾個(gè)%）。相較之下，柵壓電場(chǎng)調(diào)控載流子濃度具有更多優(yōu)勢(shì)，原則上它可以在不影響材料有序程度的基礎(chǔ)上可控可逆的改變載流子濃度，且不受互溶度限制，可以較大程度影響載流子水平。
清華大學(xué)物理系于浦教授課題組及合作者通過(guò)電場(chǎng)調(diào)控下的電輸運(yùn)研究，次刻畫了大摻雜濃度范圍內(nèi)銥氧化物Mott絕緣體的電子態(tài)的演化情況，全面描繪材料的電子相圖，對(duì)關(guān)聯(lián)材料的研究具有廣泛?jiǎn)l(fā)性意義[2]。
*數(shù)據(jù)獲?。喝乱淮C合物性測(cè)試系統(tǒng)（PPMS DynaCool, Quantum Design），測(cè)量結(jié)構(gòu)霍爾棒利用光刻技術(shù)，尺寸為1.6 mm*0.4 mm，并濺射一層Pt膜作為柵電，整個(gè)結(jié)構(gòu)浸入DEME-TFSI離子液體中，原位測(cè)量柵電壓調(diào)控下的輸運(yùn)行為[2]。
在本文中，作者通過(guò)電場(chǎng)調(diào)控方法先將質(zhì)子注入到 [SrIrO3/SrTiO3] 超晶格中，基于電中性原理，等量電子會(huì)被吸引并填充到靠近費(fèi)米能的能帶上，從而借助質(zhì)子插入，實(shí)現(xiàn)對(duì)特定能帶的電子填充。通過(guò)柵壓電場(chǎng)調(diào)控下電輸運(yùn)的實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，隨著電子摻雜濃度的增加，材料先會(huì)從一個(gè)反鐵磁Mott絕緣體被調(diào)控到一個(gè)高溫區(qū)顯示金屬態(tài)、低溫區(qū)顯示弱絕緣化的電子態(tài)，繼而又重新回到絕緣態(tài)，并隨著整個(gè)能帶的填滿而變?yōu)橐粋€(gè)能帶絕緣體。
不同摻雜濃度的電子相圖的全面刻畫，源于不同電場(chǎng)調(diào)控下輸運(yùn)數(shù)據(jù)的詳細(xì)測(cè)量。PPMS測(cè)量系統(tǒng)不僅提供高 效準(zhǔn)確的輸運(yùn)數(shù)據(jù)測(cè)量，而且用戶可根據(jù)測(cè)量需要設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，增加?xùn)艍弘姷龋瑥亩鴮?shí)現(xiàn)定制化測(cè)量。
二維磁性納米片CrSe2的層厚依賴可調(diào)磁序研究
除載流子濃度調(diào)控獲得可調(diào)輸運(yùn)性質(zhì)之外，低維量子材料物性的層厚依賴也是一個(gè)重要的研究方向。湖南大學(xué)段曦東教授及其合作單位在對(duì)二維磁性納米片CrSe2的研究中發(fā)現(xiàn)，性質(zhì)穩(wěn)定的CrSe2納米片可以很容易生長(zhǎng)到無(wú)懸掛鍵的WSe2襯底上，其厚度可以可控地調(diào)節(jié)到單層限。性質(zhì)穩(wěn)定、厚度可調(diào)的CrSe2納米片將在大程度上拓展二維磁性材料的實(shí)際應(yīng)用前景，有望用于構(gòu)建高自旋注入效率的自旋電子器件[3]。
*數(shù)據(jù)獲?。喝乱淮C合物性測(cè)試系統(tǒng)（PPMS DynaCool, Quantum Design），配備有一個(gè)或兩個(gè)鎖相放大器（SR830, Stanford）[3]。
本文提出的在二維WSe2上氣相外延生長(zhǎng)的二維范德華磁性CrSe2納米片，具有良好的范德華接觸界面，厚度可調(diào)并具有良好的空氣穩(wěn)定性。從上圖不同層厚納米片的反?；魻栯娮璧膶?duì)比可以看出：隨層厚增加，材料霍爾電阻幅值明顯提升，表明材料由弱鐵磁性變化到強(qiáng)鐵磁性；另一方面隨溫度增加，反?；魻栯娮栊盘?hào)明顯減弱，并在居里溫度完全消失。納米片在空氣中放置六個(gè)月其電磁輸運(yùn)性質(zhì)幾乎沒有變化，進(jìn)一步驗(yàn)證了該材料的空氣穩(wěn)定性，同時(shí)也可以看出PPMS系統(tǒng)電輸運(yùn)測(cè)量的穩(wěn)定性與可重復(fù)性，一個(gè)穩(wěn)健的精細(xì)可控平臺(tái)是輸運(yùn)實(shí)驗(yàn)研究的重要基礎(chǔ)。
電輸運(yùn)測(cè)量選件是Quantum Design綜合物性測(cè)量系統(tǒng)PPMS zui廣泛使用選件之一，因?yàn)橹茦雍?jiǎn)單、測(cè)試通道多以及自動(dòng)化程度高而深受用戶歡迎。電輸運(yùn)樣品托享有技術(shù)，全自動(dòng)測(cè)量電阻率、霍爾系數(shù)等參量，配合基系統(tǒng)的變溫（1.8-400K）和變磁場(chǎng)（PPMS至大磁場(chǎng)16T， PPMS DynaCool至大磁場(chǎng)14T）環(huán)境，可實(shí)現(xiàn)材料電磁輸運(yùn)特性的全面刻畫。
PPMS的電輸運(yùn)測(cè)量不僅是一個(gè)高度自動(dòng)化的平臺(tái)，也是一個(gè)開放的平臺(tái)：結(jié)合van der Pauw-Hall選件，方便快捷的采用van der Pauw法測(cè)量形狀不規(guī)則但厚度均勻的樣品電阻率和霍爾性質(zhì)；結(jié)合轉(zhuǎn)桿選件，搭配不同樣品板，可以測(cè)量面內(nèi)面外各向異性磁阻；結(jié)合高壓腔，可以開展壓力依賴的電輸運(yùn)研究。
PPMS的電輸運(yùn)測(cè)量也是一個(gè)可拓展的平臺(tái)，在基本配置的基礎(chǔ)上，用戶可以根據(jù)自己的需要，定制化的增加電流源、電壓源以及鎖相放大器等設(shè)備。為滿足客戶定制化需求，Quantum Design公司也推出了多種型號(hào)的多功能樣品桿，允許用戶將外界儀表電源引線、光纖或者波導(dǎo)通過(guò)定制頂板引入樣品空間，進(jìn)行柵電場(chǎng)調(diào)控、光電輸運(yùn)特性等定制化測(cè)量。
為方便用戶對(duì)多種樣品桿的制樣情況進(jìn)行外部檢測(cè)，Quantum Design公司新推出了一系列針對(duì)外接儀器儀表的測(cè)試臺(tái)和接線盒設(shè)備，歡迎各位用戶咨詢采購(gòu)。
參考文獻(xiàn)：
[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 CrSe2nanosheets with thickness-tunable magnetic order. Nature Materials, 20, 818-825 (2021).
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