[论文解读] Correlation of Crystal Quality and Extreme Magnetoresistance of WTe$_2$

Mazhar N. Ali, Leslie M. Schoop+6 more|arXiv (Cornell University)|Jun 16, 2015

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials参考文献 11被引用 18

一句话总结

本研究开发了一种可重复的通量-生长方法，并结合自蒸气输运清洁技术，制备出高质量的WTe₂单晶，实现了在9 T和2 K条件下175万%的磁阻率记录——较先前报道高出近一个数量级，归因于1250的残余电阻率比（RRR）和167,000 cm²/Vs的平均载流子迁移率，磁阻率近似遵循B²依赖关系，且与冷却速率控制下的晶体质量密切相关。

ABSTRACT

High quality single crystals of WTe$_2$ were grown using a Te flux followed by a cleaning step involving self-vapor transport. The method is reproducible and yields consistently higher quality single crystals than are typically obtained via halide assisted vapor transport methods. Magnetoresistance (MR)values at 9 Tesla and 2 Kelvin as high as 1.75 million \%, nearly an order of magnitude higher than previously reported for this material, were obtained on crystals with residual resistivity ratio (RRR) of approximately 1250. The MR follows a near B$^2$ law (B = 1.95(1)) and, assuming a semiclassical model, the average carrier mobility for the highest quality crystal was found to be ~167,000 cm$^2$/Vs at 2 K. A correlation of RRR, MR ratio and average carrier mobility ($μ_{avg}$) is found with the cooling rate during the flux growth.

研究动机与目标

• 开发一种可重复、高产率的WTe₂单晶生长方法，以实现缺陷极少的高质量单晶。
• 建立晶体质量（以RRR衡量）、磁阻率（MR）与载流子迁移率之间的直接关联。
• 证明在通量生长过程中采用更慢的冷却速率可显著提升晶体质量与极端磁阻率。
• 提供一种稳定、高质量的单晶来源，以支持WTe₂电子性质的可靠、可重复研究。
• 通过将极端磁阻率值与样品质量及生长方法关联，解决文献中相互矛盾的报告。

提出的方法

• 采用Te通量法生长WTe₂单晶，使用预先反应的WTe₂前驱体以提高一致性。
• 在密封石英管中于415 °C下进行二次自蒸气输运清洁步骤，以去除残留Te和缺陷。
• 通过调节通量生长过程中的冷却速率（2–3 °C/h）来控制晶体质量。
• 将残余电阻率比（RRR）作为晶体质量的定量指标，RRR越高表示缺陷越少。
• 将磁场依赖的电阻率数据拟合至洛伦兹定律（MR = 1 + (μB)²），以提取平均载流子迁移率（μ_avg）。
• 在多个生长批次及方法（通量法与蒸气输运法）之间，关联RRR、9 T和2 K下的MR比值以及μ_avg。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否开发一种可重复、高产率的WTe₂单晶生长方法，以稳定制备出高质量单晶？
• RQ2 通量生长过程中的冷却速率如何影响残余电阻率比（RRR），进而影响WTe₂中的磁阻率（MR）？
• RQ3 RRR、载流子迁移率（μ_avg）与极端磁阻率（XMR）在WTe₂中存在何种关系？
• RQ4 所观测到的XMR值能否通过半经典模型解释？磁阻率是否遵循B²依赖关系？
• RQ5 晶体缺陷与杂质在多大程度上限制了WTe₂中磁阻率的大小？

主要发现

• 采用通量生长法结合自蒸气输运清洁技术，制备出RRR高达1250的WTe₂晶体，显著高于典型卤化物辅助蒸气输运法的数值。
• 在最高质量的晶体中，于9 T和2 K条件下实现了1,750,000%的磁阻率记录，较先前报道值高出近一个数量级。
• 磁阻率近似遵循B²依赖关系（B = 1.95(1)），与洛伦兹定律一致，表明其具有半经典起源。
• 在2 K下，最高质量晶体的平均载流子迁移率（μ_avg）达到167,000 cm²/Vs，对于非狄拉克/外尔半金属而言极为罕见。
• 发现RRR与磁阻率之间存在强烈非线性相关性，更慢的冷却速率可获得更高的RRR与更高的MR。
• 该方法在通量生长晶体中表现出优异的批次间一致性，而蒸气输运法则表现出更大的样品间差异。