[论文解读] 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 4

一句话总结

本研究通过单晶测量揭示了FeSb2中各向异性的磁性和输运性质，发现在70 kOe磁场下300 K时磁阻高达2200%，其机理由dxy轨道衍生能带中的高度定向巡游电子驱动。该效应源于b轴传导通道中强载流子迁移率和场依赖性散射，表明其源于能带结构而非自旋无序散射。

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

研究动机与目标

• 通过高质量单晶测量，理解窄带隙半导体FeSb2中大磁阻的起源。
• 研究不同晶轴方向（a、b、c）下磁化率和电导率的各向异性。
• 确定观测到的磁阻是源于能带效应还是自旋无序散射机制。
• 探讨FeSb2的电子结构，特别是dxy轨道衍生的Ξ能带在定向输运中的作用。
• 评估FeSb2作为3d过渡金属锑化物中近似Kondo绝缘体行为和多体效应模型体系的潜力。

提出的方法

• 采用Fe0.08Sb0.92组成通过自 flux 法生长大尺寸单晶，以最小化杂质态的影响。
• 通过单晶X射线衍射（Mo Kα，Bruker CCD-1000）和Rietveld精修，确认其为正交晶系辉银矿结构（Pnnm空间群），晶格常数为a=5.815(4)，b=6.517(5)，c=3.190(2) Å。
• 在1.8 K至300 K温度范围内，使用LR 700电桥测量定向矩形样品的电阻率，磁场最高达70 kOe。
• 使用Quantum Design MPMS-5和MPMS-7磁强计测量磁化率，磁场沿a、b、c轴方向对齐；并进行了背景扣除。
• 利用Kohler规则分析霍尔系数和磁阻，以检验金属区域内的普适标度行为。
• 未来拟采用光电子能谱和中子散射技术，探测自旋和电荷激发能隙，并验证能带模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 FeSb2中大磁阻的成因是什么？其是由能带效应还是自旋无序散射驱动？
• RQ2 电阻率和磁化率的各向异性如何与dxy轨道衍生的Ξ能带的方向性相关？
• RQ3 鉴于其低温抗磁响应和微小杂质拖尾，FeSb2在多大程度上表现出Kondo绝缘体类似行为？
• RQ4 为何金属-半导体转变温度T_min随电流方向变化而变化，并达到40–80 K？
• RQ5 所观测到的磁阻能否由金属不均匀性或本征能带各向异性模型解释？

主要发现

• 在a轴和b轴方向，磁化率在约100 K附近出现抗磁到顺磁的转变；在c轴方向，转变温度为125 K；低温抗磁磁化率为-4 × 10⁻⁵ emu/mol。
• 沿b轴方向的电输运在T_min（40 K至80 K之间，取决于电流方向）出现金属-半导体转变。
• 在70 kOe磁场下，300 K以下恢复半导体输运行为，磁阻在T_min处达到峰值2200%。
• 在300 K时，相同磁场下磁阻仍保持32%的显著水平，表明磁场诱导电阻率变化具有强鲁棒性。
• 霍尔系数在120 K以下出现急剧上升，表明在T_min处载流子迁移率高达~2000 cm²/Vs，与Ξ能带中高迁移率输运一致。
• 沿b轴方向，从40 K到300 K，Δρ/ρ₀与H/ρ₀的Kohler规则标度将数据压缩为单一曲面，支持磁阻由能带结构驱动的机制。