南京大學Nano Letters：繆峰教授課題組在二銻化鎢巨磁阻物理機制研究方面取得重要進展

【前言】

三十年前，磁性多層結構中巨磁阻效應的發現直接導致了固態存儲硬盤的小型化革命。巨磁阻效應一般出現在磁性材料中，非磁性材料通常具有較小的磁電阻；但是，在2014年，有實驗發現非磁性塊體材料二銻化鎢（WTe₂）在低溫下電阻隨磁場的增加出現不飽和增長現象，磁電阻在60?T時達到。巨大的不飽和磁電阻特性使得WTe₂受到了廣泛關注，也導致WTe₂中其它一些有趣的物理性質（如拓撲態、超導、鐵電等）隨后陸續被發現。作為一種非磁性材料，WTe₂中巨磁阻的物理機制受到了學術界極大的關注；在之前的研究中，人們提出了多種可能的物理解釋，如電子空穴補償、高遷移率、復雜的自旋結構等，然而到目前為止，WTe₂中產生巨磁阻的根本原因仍然存在爭議。

【成果簡介】

南京大學物理學院繆峰教授課題組近年來圍繞WTe₂的物理特性開展了系統的研究，包括首次通過電學輸運手段證實了WTe₂作為第二類外爾半金屬的理論預言（Nat. Comm. 7, 13142 (2016)），并利用近鄰效應誘導在WTe₂中實現了本征超導（Nano Lett. 18, 7962 (2018)）。近日，繆峰教授課題組利用原位柵壓調控方法，證明了WTe₂中的電子空穴補償是不飽和磁電阻產生的根本原因，同時在薄膜WTe₂中實現了高達10600%的巨大磁電阻（比以往研究報道中類似厚度薄膜的磁電阻高出1-2個量級）。這項工作不僅揭示了WTe₂中巨磁阻效應的物理機制，也對探索和理解其它非磁性材料中巨磁阻效應的物理機制具有重要的指導意義。

雖然塊體WTe₂具有非常大的磁電阻，但是實驗普遍發現薄膜WTe₂中的磁電阻與體塊相比小很多，而且發現材料表面氧化會極大地影響磁電阻值。為了避免薄膜的氧化，繆峰課題組利用干法轉移技術制作了h-BN保護的高質量WTe₂薄膜器件(如圖a所示，薄膜厚度約10?nm)，同時利用h-BN作為柵介質原位調控WTe₂中的載流子濃度。實驗上觀測到磁電阻隨柵壓呈現非單調變化（如圖b），通過理論分析載流子濃度及遷移率特性，發現磁電阻的變化強烈依賴于電子和空穴濃度之比，在電子和空穴相互補償時磁電阻達到極大值（14T時達到10600%），從而有力地證明電荷補償機制是產生巨大且不飽和磁電阻效應的根本原因。進一步，在保持電子和空穴補償的情況下，研究發現磁電阻和載流子遷移率具有相似的溫度變化依賴特征（如圖c、d所示），從而清楚地揭示了高溫下磁電阻的降低是由電聲子散射導致。

該工作以“Direct evidence for charge compensation induced large magnetoresistance in thin WTe₂”為題，于近日（2019年5月13日）在線發表在Nano Letters上（DOI: 10.1021/acs.nanolett.9b01275）。南京大學物理學院博士王瑤佳、博士生王利錚為該工作共同第一作者，繆峰教授和梁世軍副研究員為該工作的共同通訊作者。中科院物理研究所的石友國研究員為該工作提供了實驗材料的支持。該項研究得到微結構科學與技術協同創新中心的支持，以及國家重點基礎研究項目、國家自然科學基金、江蘇省青年科學基金、中央高校基本科研專項經費、南京大學博士生A/B提升計劃等項目的資助。

a. h-BN保護的WTe₂薄膜器件圖（下）及器件側視示意圖（上）。 磁電阻以及電子空穴濃度比隨柵壓的變化。c.磁電阻隨溫度變化曲線。d. 遷移率隨隨溫度變化曲線，插圖：電子空穴濃度比隨溫度變化曲線。

文章鏈接 https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.9b01275

繆峰教授課題組主頁 http://nano.nju.edu.cn/

本文系繆峰教授課題組供稿。

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