[논문 리뷰] Materials and possible mechanisms of extremely large magnetoresistance: A review

Niu, Rui, Zhu, W. K.|arXiv (Cornell University)|2021. 10. 20.

Chemical and Physical Properties of Materials인용 수 46

한 줄 요약

이 리뷰는 금속 및 반도체에서 극도로 큰 자기저항(XMR)에 대한 현재 이해를 종합적으로 다루며, 전자-정공 보정과 높은 운반자 이동도가 주요 메커니즘으로서 기능함을 규명한다. 특히 Weyl 및 Dirac 재료인 WTe2와 TaAs와 같은 위상적 반도체가 고자기장에서도 포화되지 않는 10^8%를 초과하는 XMR 값을 실현할 수 있음을 강조하며, 저전력 스핀트로닉스 및 양자 장치 응용에 미치는 영향을 제시한다.

ABSTRACT

Magnetoresistance (MR) is a characteristic that the resistance of a substance changes with the external magnetic field, reflecting various physical origins and microstructures of the substance. A large MR, namely a huge response to a low external field, has always been a useful functional feature in industrial technology and a core goal pursued by physicists and materials scientists. Conventional large MR materials are mainly manganites, whose colossal MR (CMR) can be as high as -90%. The dominant mechanism is attributed to spin configuration aligned by the external field, which reduces magnetic scattering and thus resistance. In recent years, some new systems have shown an extremely large unsaturated MR (XMR). Unlike ordinary metals, the positive MR of these systems can reach 103-108% and is persistent under super high magnetic fields. The XMR materials are mainly metals or semimetals, distributed in high-mobility topological or non-topological systems, and some are magnetic, which suggests a wide range of application scenarios. Various mechanisms have been proposed for the potential physical origin of XMR, including electron-hole compensation, steep band, ultrahigh mobility, high residual resistance ratio, topological fermions, etc. It turns out that some mechanisms play a leading role in certain systems, while more are far from clearly defined. In addition, the researches on XMR are largely overlapped or closely correlated with other recently rising physics and materials researches, such as topological matters and two-dimensional (2D) materials, which makes elucidating the mechanism of XMR even more important. Moreover, the disclosed novel properties will lay a broad and solid foundation for the design and development of functional devices. In this review, we will discuss several aspects in the following order: ...

연구 동기 및 목표

• 극도로 큰 자기저항(XMR)의 물리적 메커니즘과 재료를 체계적으로 검토하기 위해.
• 전자-정공 보정, 높은 이동도, 위상적 밴드 구조가 XMR를 가능하게 하는 역할를 명확히 하기 위해.
• 2차원 재료 및 위상적 양자 물질와 같은 새로운 분야와의 상호작용을 고려하여 XMR의 상호관계를 분석하기 위해.
• 실제 장치 통합을 위한 개방된 과제와 향후 연구 방향을 규명하기 위해.

제안 방법

• 화학 조성에 따른 XMR 재료의 체계적 분류: 원소, 이성분(예: XP, XBi, TMDs), 삼성분 화합물(예: ZrSiS, Co3Sn2S2).
• 실험적 운반자 이동도 데이터 분석, 천장 및 횡방향 자기저항, 각도 의존성, 양자 진동 현상 포함.
• 전자 구조 및 페르미 궤적을 탐사하기 위해 각도 분 giải 광전자 방출 분광법(ARPES)과 스캐닝 터널링 분광법의 활용.
• 위상적 특성과 XMR를 연계하기 위해, Weyl 점과 노드 라인을 포함한 밴드 구조의 이론적 모델링.
• 잔류 저항 비율(RRR), 운반자 농도, 효율 질량가 변화하는 재료 간의 XMR 행동 비교.
• 위상적 Weyl 반도체의 특징으로서 음의 종방향 자기저항을 통해 케랄 비대칭 효과 평가.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비자성 금속 및 반도체에서 극도로 크고 포화되지 않는 자기저항이 발생하는 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ2 왜 WTe2와 TaAs와 같은 특정 위상적 반도체는 10^8%를 초과하는 XMR 값을 가지며 포화되지 않는가?
• RQ3 전자-정공 보정과 높은 운반자 이동도가 공동으로 XMR에 기여하는 방식은 어떠한가?
• RQ4 2차원 및 반데발스 헤테로구조는 XMR 거동을 어느 정도 변화시키는가?
• RQ5 고이동도와 Dirac 페르미온을 지닌 그래핀은 왜 단지 약 200%의 중간 수준의 MR를 보이는가?

주요 결과

• WP2에서 2.5 K 및 63 T 조건에서 최대 2 × 10^8%의 XMR가 관측되었으며, 이는 전자-정공 보정, 높은 이동도, 극도로 높은 잔류 저항 비율(RRR)에 기인한다.
• WTe2는 60 T까지도 포화되지 않는 XMR를 나타내며, 음의 종방향 자기저항을 통해 케랄 비대칭 효과에 의해 유형 II Weyl 반도체 성질이 확인된다.
• ARPES 측정을 통해 Co3Sn2S2에서 선형 밴드 분산 및 페르미 궤적이 확인되었으며, 이는 자기적 Weyl 반도체로의 분류를 뒷받침한다.
• ZrSiS와 ZrSiSe는 초고이동도와 양자 진동을 나타내어 Dirac 유사 준입자와 XMR 가능성을 시사한다.
• WTe2와 Cd3As2 나노시트와 같은 다층 재료의 XMR는 두께에 따라 강하게 의존하며, 이는 양자 구속 효과를 시사한다.
• 고이동도와 Dirac 유사 특성을 지닌 그래핀는 약 200%의 MR만을 보이며, 이는 밴드 구조의 세부 사항이나 산란 메커니즘 등의 추가 요인들이 이 시스템의 XMR를 제한함을 시사한다.