非磁性半金属YBi中极大磁电阻及拓扑电子结构构建

唐 昉 ，吴子鸣 ，林如龙 ，房 勇 ，b，韩志达 ，b，钱 斌 ，b，江学范 ，b

（常熟理工学院 a.物理与电子工程学院；b.江苏省新型功能材料重点建设实验室，江苏 常熟 215500）

磁电阻效应，顾名思义就是磁场可以改变材料电阻的现象［1］. 一般来讲，磁电阻效应，比如巨磁电阻效应、庞磁电阻效应及隧穿磁电阻效应等，都与磁性材料密切相关［2-4］. 最近，一类全新的拓扑电子态-拓扑半金属（不同于拓扑绝缘体）吸引了广泛的关注. 拓扑半金属类似于三维的石墨烯，呈展出很多全新的量子现象，比如极大的磁电阻、线性色散关系、无质量的费米子等［5-6］. 据报道，等都具有极大的磁电阻效应及非凡的物理特性［5-6］. 不同以往的是，这类材料都不含磁性离子. 非磁体系中磁电阻效应的开发，不仅极大丰富了材料系统，也为全新物性的研究提供了广阔的舞台. 本文中，我们制备了具有NaCl晶体结构的YBi单晶，并研究其磁输运行为及电子能带结构. 电输运及理论计算发现其高达105%的低温磁电阻来源于电子-空穴补偿效应及非平庸的电子结构.

图1 （a）YBi的零场电阻随温度的变化关系，插图为利用ρ=ρ0 +ATn对低温电阻拟合；（b）不同磁场下电阻与温度的变化关系；（c）不同温度下的磁电阻随磁场的变化关系，插图为高场下的磁电阻-磁场关系；（d）不同温度下的科勒关系

从图1（a）中，我们发现YBi从2 K到300 K具有金属导电行为，40 K以下电阻率符合关系的费米液滴行为. YBi的剩余电阻比（RRR）为137（室温和2 K时的电阻率分别为34.41 μΩ·cm和0.251 μΩ·cm），表明材料中杂质的散射影响不大. 样品在磁场作用下将出现类似金属-绝缘体相变的现象，如图1（b）所示. 通过测量如图1（c）所示的不同温度下磁电阻随磁场的变化关系，我们发现2 K和9 T下，磁电阻达到0.8×105%，其大小比WTe2及LaSb低一个数量级，但和NdSb，PrSb等相当. 高场下磁电阻具有Shubnikov-de Haas （SdH）振荡，如图1（c）插图所示. 科勒关系表明YBi具有多种载流子特性，如图1（d）所示.

第一性原理计算发现，不计入自旋轨道耦合效应时，三重简并的能带穿过费米面，产生一个电子带和两个空穴带，见图2（a）. 计入自旋轨道耦合效应之后，电子能带结构将会发生很大的变化，其中Y-d带和Bi-p带在Γ和X点之间反转，见图2（b）. 根据付亮等人的方法，我们评估Z2不变量为（1；000），表明该材料具有非平庸的能带结构.

图3（a）表明YBi具有一个α电子带和两个空穴带（β和γ），其中α电子带由3个（α1， α2， α3）相互正交的椭球带构成，β和γ带是球形的. 图3（b）是3个子带在（001）面的投影. 图3（c）是α1电子带和β、γ带在（110）面的投影图. 图3（d）是β和γ带在（111）面的投影图. 根据费米面结构，大致计算可得出电子带和空穴带载流子的数目，其中ne=6.893×1020 cm-3， nh=6.398×1020 cm-3. 也就是说，电子-空穴数目之比为ne/nh=1.073，说明YBi是补偿型半金属. 相关结果发表于Journal of Materials Chemistry C， 6， 10020（2018）［7］.

图2 （a）不计入SOC的能带结构；（b）计及SOC的能带结构

图3 （a）YBi的费米面结构；（b） （001） 面投影；（c）（110）面投影；（d）（111）面投影