半Heusler合金型拓扑绝缘体材料的制备和物性研究

新型金属基拓扑绝缘体材料是低耗散电子器件的关键材料。本项目以最近发现的金属基半Heusler合拓扑绝缘体合金为研究对象，寻找基于Heusler型铁磁形状记忆合金单晶为衬底，在其上面制备高质量半Heusler合拓扑绝缘体薄膜的最佳工艺技术。系统研究在外界温度、磁场和应力多场耦合作用下，单晶衬底的应变输出特性对薄膜微结构、表面/体电子态和输运性能的影响。最终建立基于应变调控拓扑绝缘体材料表面/体电子态的物理模型，为设计新型拓扑绝缘体功能材料提供理论基础。

含重元素的半Heusler合金在2010年被理论预言为拓扑绝缘体候选材料，引起了人们极大的关注。在此背景下，我们做了关于Heusler型拓扑绝缘体的规律总结、新体系预测和实验探索等一系列连续性工作。.1）以半Heusler为基础，预测了几类新的拓扑绝缘体候选材料体系，包括18个价电子的全Heusler、I-III-IV型半Heusler、以及六角纤锌矿体系。它们各具特点：全Heusler晶格可以看作两个闪锌矿子晶格的嵌套而具有类HgTe型能带结构，I-III-IV型半Heusler不含有稀土和重金属元素却展现出强烈地能带翻转，六角纤锌矿体系中的拓扑绝缘体可以天然具有与Bi2Se3体系相比拟的体能隙。.2）探究类HgTe型拓扑绝缘体能带结构的起源。首先对这些材料体系的晶格结构进行了比较，发现它们都存在局部的四配位晶格以及原子间的正四面体型的共价杂化；接着分别在二元HgTe和三元半Heusler体系中进行了验证，发现在不同类型的共价杂化中，正四面体型共价杂化主导了它们拓扑绝缘体能带结构的形成；进一步的分析发现，适度的正四面体型共价杂化可以保证类HgTe型拓扑绝缘体的能带翻转发生在布里渊区中的点。.3）以自旋-轨道耦合（SOC）参量作为纽带，采用核磁共振（NMR）技术对Bi基半Heusler合金的电子结构进行精细表征。首先给出了这个工作的理论基础；而后，在LuPd1-xPtxBi和R-M-Bi 体系单晶的NMR实验中发现，209Bi的NMR化学位移与能带结构中的SOC强度和能带翻转强度都展现出一定的比例关系；并且，第一性原理计算结果也证实，SOC参量对NMR化学位移具有非常重要的修正作用。.4）通过选择具有较低体迁移率的LuPdBi进行研究，在其单晶材料中首次观测到了具有二维表面态特征的弱反局域效应；并在YPdBi 和LuPdBi 中分别发现了Tc 为1.5 和 1.7 K的超导转变，通过比热对其超导机理进行了探讨。.5）在具有特殊电子空穴补偿型能带的LuPtBi中，我们发现了高迁移率、大磁电阻等优异的输运性能，并观测到磁电阻Shubnikov-de Haas 量子振荡现象。结合角度依赖的横向磁电阻及SdH振荡我们实现了从输运性质上对费米面的空间描绘，并进一步观察到高场低温下费米面变化的现象。