同步辐射软X射线方法研究V族拓扑半金属材料特性及相关新奇宏观量子现象

Pnictide topological semimetals feature high carrier mobility due to its special electronic band structures. More importantly, topological semimetals play the role of ideal host materials for many novel macroscopic quantum phenomena and quantum phase transitions. So far, almost all researches focus on bulk crystals, since high quality films with controllable shape, size, thickness and doping concentration cannot be realized by conventional growth methods. In addition, the characterizations of electronic band structure and microscopic magnetic properties in topological semimetals need powerful measurement techniques. For the above reasons, this project aims at the study of material properties of high-quality topological semimetal films by synchrotron radiation soft x-ray (SRSX) analysis methods (such as ARPES/XPS/XMCD/XMLD etc.), in collaboration with BSRF (Beijing Synchrotron Radiation Facility). Specifically, growth of high-quality pnictide topological semimetal films by molecular-beam epitaxy and the characterizations of their basic physical properties will be carried out first, followed by the careful study of electronic band structure, electronic states and microscopic magnetic properties in Cd3As2, SrMnSb2 and YbMnBi2 films via SRSX analysis method, and finally the investigation of macroscopic quantum phenomena and quantum transitions in topological semimetals. It is expected that by the study of basic physical properties and their related novel macroscopic quantum phenomena and quantum transitions in pnictide topological semimetal films, this project will provide physical guidance and technique for the further research of topological materilas.

V族化合物拓扑半金属材料特殊的能带结构使其不仅具有很高的载流子迁移率，而且还是多种新奇宏观量子现象和量子相变现象的理想宿主材料。由于传统的材料制备方法难以获得维度、薄膜厚度和掺杂浓度等可控的高质量薄膜样品，目前关于拓扑半金属的研究主要集中于块状晶体材料。此外，拓扑半金属薄膜能带结构及微观表征需要借助于功能强大的技术手段。本项目拟联合北京同步辐射装置，利用同步辐射软X射线分析方法（如ARPES/XPS/XMCD/XMLD等）研究高质量拓扑半金属薄膜的材料特性。具体内容包括：高质量V族化合物拓扑半金属薄膜的分子束外延生长及基本性质表征；拓扑半金属的元素价态、微观磁性状态和能带结构的同步辐射软X射线分析研究；拓扑半金属材料中的宏观量子现象和量子相变等。本项目旨在通过对V族化合物拓扑半金属薄膜基本物性和相关新奇宏观量子现象的研究，为拓扑材料的深入探索提供物理指导和前期技术储备。

V族化合物拓扑半金属材料特殊的能带结构使其不仅具有很高的载流子迁移率，而且还是多种新奇宏观量子现象和量子相变现象的理想宿主材料。本项目在2017-2020年四年执行期间，按照基金委重点项目计划书，开展了几类V族化合物的外延生长研究，获得了铁磁有序的(Cd,Mn)3As2和(Cd,Ni)3As2薄膜；基于我国的同步辐射装置，利用同步辐射X射线分析方法对(Cd,Mn)3As2和(Cd,Ni)3As2薄膜进行了表征，同时开展了Heusler合金NiMnAs薄膜的X射线吸收谱研究，对分析NiMnAs磁性质的生长温度和Mn组分依赖关系起到了重要作用；研究了(Cd,Mn)3As2和(Cd,Ni)3As2薄膜相关物性在电场调控下的变化，实现了对样品电阻量子振荡和量子霍尔效应的有效调控。此外，依托法国和美国的大科学装置，我们与法国、美国、瑞士及意大利等国的合作者系统研究了MnAs薄膜中β-γ相变过程中的超快结构动力学行为。我们还通过改变Heusler合金Co2MnAl的组分，获得了具有室温垂直易磁化的Co2MnAl薄膜。.项目执行期间共发表相关文章10篇，申请专利1项。项目相关国际会议邀请报告8次，国内会议邀请报告12次。