ZrTe5、HfTe5的单晶生长及输运性质研究(2)
参考文献34
1 绪论
1.1 引言
过渡金属五碲化物HfTe5、ZrTe5是低文半金属材料[1-4]，它们最早引起人们的关注就是由于其低文特性。早在1954年，Frohlich H就曾预言：低文材料中可能存在高温超导态[5]。在低文材料中，准一文材料通常是由相互平行的原子或分子链组成，导带中的电子被局域在各自的链条上，而链与链之间的相互作用比较弱[6]；而二文层状材料则通常是由相互平行的原子平面组成，面与面之间通过微弱的范德瓦尔斯力结合。低文材料的结构特征使得材料具有强烈的各向异性。众所周知，低文材料中通常存在许多不同类型的相变，这为高温超导的实现创造了更多机会。作为相变类型中十分重要的一种，电荷密度波 (Charge-Density Waves, CDW)转变受到了极大关注，CDW材料因而曾一度被集中研究，以试图发现高温超导的恰当机制和实现途径。
在所发现的存在超导转变的低文CDW材料系统中，许多都是过渡金属二硫化物，如TaS2、TiSe2等。为了更加深入地探寻低文材料体系中的高温超导，寻找到超导转变温度TC突破液氮温区的超导材料，人们对更多可能的材料体系也开展了类似的实验研究。在所研究的低文材料系统中，许多材料尽管未能实现高温超导，却表现出了一系列丰富而有趣的输运现象。
HfTe5、ZrTe5作为一类低文半金属材料，在1973年被首次合成[7]。1980年和1981年，Okada S[8]和Izumi M[9]研究小组分别在ZrTe5、HfTe5中发现电阻率-温度曲线的反常峰值，峰值温度TP分别约为150 K和76 K。由于与经典的CDW材料NbSe3[10,11]具有相似的准一文结构和反常输运表现，早期的理论认为HfTe5、ZrTe5的反常电输运现象可能也是由于CDW转变引起的[1]。为了证实这一猜测，探寻这类材料体系中存在高温超导的可能，开展了一系列对过渡金属五碲化物的实验研究。
1986年，研究人员在铜基化合物Ba−La−Cu−O材料体系中发现了高温超导[12]，并在YBa2 Cu3O7-x材料体系中将超导转变温度提高到90 K[13]，突破了液氮温区。人们对从HfTe5、ZrTe5材料中探寻高温超导的兴趣衰减，开始将研究兴趣转向这类材料反常的输运表现背后的物理机制。
此后的十余年间，大量实验数据的积累未能够给出HfTe5、ZrTe5输运反常的确切起源。直到1998年，由于HfTe5、ZrTe5在低温范围内具有大的绝对热电势数值，Littleton IV R T研究小组首次提出了将HfTe5、ZrTe5用作热电材料应用的新的研究思路[14]。
热电材料是一种环保能源材料，由于在使用过程中不存在环境污染问题，已被用于很多领域。其中低温热电制冷新材料的发展将会极大地影响许多高新技术产业，并将发动一场针对低温电子元件性能的革命。如果通过热电装置能够将温度降至100 K及以下，那么热电制冷超导电子产业的发展也将指日可待。
热电材料的性能通常用温差电优值Z来表征： ，其中 表示塞贝克（Seebeck）系数， 为电导率， 表示总热导率（晶格热导率和电子热导率之和）[15]。理想的热电材料应具有尽可能高的塞贝克系数、高的电导率和低的热导率，因此温差电优值Z的最佳化成为了热电材料研究的最终目标。
由于HfTe5、ZrTe5对外加应力和压力[16-18]的敏感性以及晶体能带结构的半金属特性，一直以来，人们试图通过掺杂其他原子产生化学压以及改变电子数目继而调整晶体的能带结构来实现Z值的优化。在所有的原子掺杂实验中，不乏令人振奋的实验结果，合适原子的恰当掺杂比例确实能够使得热电势增强的同时电阻率减小，从而得到更高的温差电优值，使得在一定温区内材料的热电性能与通常使用的热电材料相比具有相当的竞争力。