線性磁電阻是一種新型的磁電阻行為，由于具有線性變化特征，它對未來新型磁電阻器件的開發具有重要的應用價值與科學意義。拓撲晶體絕緣體是一類新型的拓撲材料，它不同于拓撲絕緣體，其拓撲保護不是來自時間反演對稱性，而是來自晶格對稱性，因此更容易利用結構因素對其晶格對稱性進行調控，以達到調控其拓撲表面態，進而調控其表面電輸運的目標。在單晶拓撲晶體絕緣體薄膜上，如果實現線性磁電阻，進一步利用結構對稱性來調控其拓撲表面態，將為拓撲晶體絕緣體真正應用于自旋電子學器件奠定重要基礎，也會為拓撲晶體絕緣體的電磁輸運機制理論研究提供重要的實驗支撐。
近期，金屬所沈陽材料科學國家研究中心功能材料與器件研究部張志東研究員、馬嵩項目研究員與美國Case Western Reserve大學高翾教授合作，利用分子束外延系統，在SrTiO3(111)單晶襯底上可控生長了PbTe/SnTe單晶異質結，觀察到2150%的超大非飽和線性磁電阻(2K,14T)。通過分析發現此類異質結在低溫下顯示與拓撲表面態Dirac電子相關的強金屬導電特征，載流子具有超高遷移率。進一步控制生長條件，實現界面Pb原子可控擴散并改變SnTe薄膜中空穴濃度，誘導了SnTe薄膜的立方-菱方結構相變，引起了SnTe薄膜的結構對稱性破缺，使PbTe/SnTe異質結的線性磁輸運行為轉變為強度降低幾百倍的弱磁阻變化特征。
對超高線性磁電阻PbTe/SnTe異質結的深入研究發現，利用Van de Pauw與Corbino兩類測量方法均可測得未飽和線性磁電阻。通過分析，PbTe/SnTe拓撲晶體絕緣體異質結的電輸運行為由多種載流子貢獻。在低溫區，電輸運由表面態Dirac電子主導；在室溫區，電輸運由體空穴主導。進一步深入研究發現，PbTe/SnTe異質結的線性磁電阻不能由經典Drude模型描述，說明其電輸運行為具有不同于傳統的電輸運物理本質。這項實驗工作為拓撲材料的電輸運理論研究提供了一種新的實驗現象與實驗數據支撐。
以上相關實驗工作由金屬所博士生魏鋒與Case Western Reserve大學博士后劉玠汶共同完成。相關論文分別在Physical Review B (Rapid Communications)與NanoLetters上在線發表。該項工作得到了國家自然科學基金、科技部重點研發項目和美國國家自然科學基金資助。
圖1 PbTe/SnTe異質結線性磁電阻與弱反局域現象
圖2 PbTe/SnTe異質結的Van de Pauwg與Corbino測量示意圖與線性磁電阻擬合
