[논문 리뷰] Anisotropy and large magnetoresistance in narrow gap semiconductor FeSb2

C. Petrović, Jong‐Woo Kim외 5명|Iowa State University Digital Repository (Iowa State University)|2002. 06. 11.

Iron-based superconductors research인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 단일결정 FeSb2에서의 이방성 자성 및 전도성 성질을 조사하여, 70 kOe 자기장 하에서 300 K에서 최대 2200%의 큰 자기저항을 규명하였다. 이는 dxy 궤도에서 유래한 밴드에서의 고도로 방향성 있는 이동 전자에 의해 유도되며, b축 전도 채널에서의 강한 운반자 이동도와 자기장 의존성 산란에 기인한다. 이는 스핀 불규칙 산란이 아닌 밴드 구조 기반 기원을 시사한다.

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

연구 동기 및 목표

• 고품질 단일결정 측정을 통해 좁은 금역 반도체인 FeSb2에서 큰 자기저항의 기원을 이해하기 위해.
• 다양한 결정학적 축(a, b, c)을 따라 자화율과 전기 저항의 이방성에 대해 조사하기 위해.
• 관측된 자기저항이 밴드 효과인지 스핀 불규칙 산란 메커니즘인지 결정하기 위해.
• 특히 dxy 유래 Ξ 밴드가 방향성 전도에 미치는 역할을 포함한 FeSb2의 전자 구조를 탐구하기 위해.
• 3d 전이 금속 antimonide에서 Kondo 절연체 유사 거동과 many-body 효과를 위한 모델 시스템으로서의 잠재력을 평가하기 위해.

제안 방법

• 불순성 상태를 최소화하기 위해 Fe0.08Sb0.92 조성으로 자가플럭스 방법을 이용해 큰 단일결정 FeSb2를 성장시켰다.
• 단일결정 X선 회절(Mo Kα, Bruker CCD-1000)과 Rietveld 보정을 통해 정오계 마르카사이트 구조(Pnnm 공간군)를 확인하였으며, 격자 상수는 a=5.815(4), b=6.517(5), c=3.190(2) Å였다.
• 전기 저항은 1.8 K에서 300 K까지 70 kOe 이하 자기장에서 방향성이 확보된 직육면체 형상의 시료를 대상으로 LR 700 저항 브릿지로 측정하였다.
• 자화율은 자기장이 a, b, c 축에 따라 정렬된 Quantum Design MPMS-5 및 MPMS-7 자화도계로 측정하였으며, 배경 보정을 적용하였다.
• 홀 계수와 자기저항은 금속 영역에서의 유니버설 스케일링 행동을 테스트하기 위해 Kohler의 규칙을 사용하여 분석하였다.
• 미래의 도구로는 스핀 및 전하 진동 상태 갭을 탐사하고 밴드 모델을 검증하기 위해 광전자 방출 및 중성자 산란을 제안하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 FeSb2에서 큰 자기저항은 무엇에 의해 발생하며, 이는 밴드 효과인지 스핀 불규칙 산란에 의해 유도되는가?
• RQ2 저항의 이방성과 자화율의 이방성이 dxy 유래 Ξ 밴드의 방향성과 어떻게 관련되어 있는가?
• RQ3 낮은 온도에서의 반자성 반응과 작은 불순성 尾를 고려할 때, FeSb2는 어느 정도 Kondo 절연체 유사 거동을 나타내는가?
• RQ4 왜 금속-반도체 전이 온도 T_min는 전류 정렬에 따라 변하고 40–80 K에 도달하는가?
• RQ5 관측된 자기저항은 금속성 비균질성 또는 본질적 밴드 이방성 모델로 설명될 수 있는가?

주요 결과

• a축과 b축을 따라 약 100 K 근처에서 자화율은 반자성에서 반자성으로의 전이가 발생하며, c축을 따라 약 125 K에서 발생한다. 저온에서의 반자성 자화율은 -4 × 10⁻⁵ emu/mol이다.
• b축을 따라 전기적 운반이 40 K에서 80 K 사이의 T_min에서 금속-반도체 전이가 발생하며, 전류 정렬에 따라 달라진다.
• 70 kOe 자기장 하에서 300 K 이하에서 반도체 전도성이 복귀하며, T_min에서 최대 2200%의 피크 자기저항이 관측된다.
• 300 K에서 동일한 자기장 하에서 자기저항은 여전히 32%로 유의미하게 유지되며, 이는 강력한 자기장 유도 저항 변화를 시사한다.
• 120 K 이하에서 홀 계수가 급격히 증가하여, T_min에서 약 2000 cm²/Vs의 높은 운반자 이동도를 나타내며, 이는 Ξ 밴드에서의 고이동도 전도와 일치한다.
• b축을 따라 40 K에서 300 K 사이에서 Δρ/ρ₀ 대 H/ρ₀의 Kohler의 규칙 스케일링이 단일 다각형으로 수렴하며, 이는 자기저항 메커니즘이 밴드 구조 기반임을 지지한다.