[論文レビュー] Anisotropy and large magnetoresistance in narrow gap semiconductor FeSb2

C. Petrović, Jong‐Woo Kim+5 more|Iowa State University Digital Repository (Iowa State University)|Jun 11, 2002

Iron-based superconductors research被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、単結晶FeSb2における異方性磁気的および輸送特性を調査し、70 kOeの磁場下で300 Kで最大2200%の大きな磁気抵抗を明らかにした。これはdxy軌道に由来するバンドにおける高方向性の拡散電子に起因する。この効果は、b軸の伝導チャネルにおける強いキャリア移動度と場に依存する散乱に起因し、スピン不純度散乱ではなくバンド構造に起因するものであることが示唆される。

ABSTRACT

A study of the anisotropy in magnetic, transport and magnetotransport properties of FeSb2 has been made on large single crystals grown from Sb flux. Magnetic susceptibility of FeSb2 shows diamagnetic to paramagnetic crossover around 100K. Electrical transport along two axes is semiconducting whereas the third axis exhibits a metal - semiconductor crossover at temperature Tmin which is sensitive to current alignment and ranges between 40 and 80K. In H=70kOe semiconducting transport is restored for T<300K, resulting in large magnetoresistance [rho(70kOe)-rho(0)]/rho(0)=2200% in the crossover temperature range

研究の動機と目的

• 高品質な単結晶測定を用いて、狭bandギャップ半導体FeSb2における大きな磁気抵抗の起源を解明すること。
• 結晶方位（a, b, c軸）に沿った磁化率および電気的抵抗率の異方性を調査すること。
• 観察された磁気抵抗がバンド効果に起因するのか、スピン不純度散乱メカニズムに起因するのかを特定すること。
• 特にdxy由来のΞバンドが方向的輸送に果たす役割を含めた、FeSb2の電子構造を解明すること。
• 3d遷移金属 antimonidesにおけるKondo絶縁体に類似した挙動およびmany-body効果のモデル系としてのFeSb2の可能性を評価すること。

提案手法

• 不純物状態を最小限に抑えるために、Fe0.08Sb0.92組成を用いて自己フラックス法により大口径単結晶を成長させた。
• 単結晶X線回折（Mo Kα、Bruker CCD-1000）およびRietveld解析により、正方晶マーカサイト構造（Pnnm空間群）が確認され、格子定数はa=5.815(4), b=6.517(5), c=3.190(2) Åであった。
• 電気的抵抗率は、1.8 Kから300 Kの温度範囲で、最大70 kOeの磁場下で、方向指定された長方形試料を用いてLR 700抵抗ブリッジで測定した。
• 磁化率は、磁場をa軸、b軸、c軸に沿って整列させた状態で、Quantum Design MPMS-5およびMPMS-7磁化計で測定し、バックグラウンド補正を施した。
• ホール係数および磁気抵抗は、金属的領域における普遍スケーリング行動をテストするためにKohlerの法則を用いて解析した。
• 今後の手法として、スピンおよび電荷励起ギャップを調べるための光電子分光および中性子散乱が提案された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 FeSb2における大きな磁気抵抗の原因は何か。これはバンド効果に起因するのか、スピン不純度散乱に起因するのか。
• RQ2 抵抗率および磁化率の異方性は、dxy由来のΞバンドの方向性とどのように関係しているか。
• RQ3 低温での抗磁性応答および小さな不純物尾を考慮すると、FeSb2はどの程度Kondo絶縁体に類似した挙動を示すか。
• RQ4 なぜ金属-半導体遷移温度T_minは電流の整列に応じて変化し、40–80 Kの範囲をとるのか。
• RQ5 観察された磁気抵抗は、金属的不均一性のモデルか、内在的なバンド異方性によって説明可能か。

主な発見

• 磁化率において、a軸およびb軸に沿って約100 Kで抗磁性から常磁性への遷移が観察され、c軸に沿っては125 Kで同様の遷移が観察された。低温での抗磁性磁化率は-4 × 10⁻⁵ emu/molであった。
• b軸に沿った電気的輸送では、40 Kから80 Kの範囲でT_minに達する金属-半導体遷移が観察された。
• 70 kOeの磁場下では、300 K未満で半導体的輸送が回復し、T_minで2200%のピーク磁気抵抗が得られた。
• 300 Kでは、同じ磁場下でも32%の顕著な磁気抵抗を示し、強力な磁場誘起抵抗変化が持続していることが示された。
• 120 K未満でホール係数が急激に上昇し、T_minで約2000 cm²/Vsの高いキャリア移動度が示唆された。これはΞバンドにおける高移動度輸送と整合的である。
• b軸に沿って40 Kから300 Kの範囲で、Δρ/ρ₀ 対 H/ρ₀ のKohlerの法則スケーリングが一様なマニフォールドに収束した。これはバンド構造駆動型の磁気抵抗機構を支持する。