用于大面积磁珠检测的阵列式非晶丝传感系统

《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》：Arrayed amorphous wire sensing system for large-area magnetic beads detection

锰硫锡四氯化物（MnSb?Te?）作为磁性拓扑绝缘体，其合成与物性研究具有理论意义和潜在应用价值。本文采用固态反应法成功制备了高质量单晶MnSb?Te?，通过X射线衍射和扫描电镜证实其晶体结构纯度与良好结晶性。拉曼光谱和X射线光电子能谱揭示了层状结构中的特征振动模式及元素价态。磁化测量发现低温下（<40 K）存在双磁相转变，磁阻实验显示铁磁与反铁磁相共存，高温下形成强耦合磁极子主导的负磁阻现象。密度泛函理论计算表明铁磁与反铁磁相互作用竞争，为理解其复杂磁拓扑特性提供新视角。

　　

作者列表：Ankush Saxena、Shiu-Ming Huang、Navneet Kumar Karn、Manish Mani Sharma、Kamal、Che-Min Lin、Mitch Chou、Veer Pal Singh Awana

研究机构：国立成功大学关键材料研究项目，台湾台南701

摘要

在本研究中，我们探讨了MnSb₂Te₄的传输和磁性质。MnSb₂Te₄是一种磁性拓扑绝缘体，也是MnBi₂Te₄的结构类似物。我们通过固态反应方法成功合成了MnSb₂Te₄的单晶。利用X射线衍射和扫描电子显微镜对样品进行了结构表征，确认了其相纯度和良好的结晶性。为了进一步研究晶格动力学和化学状态，我们采用了拉曼光谱和X射线光电子能谱技术，揭示了组成元素的振动模式和价态。磁化测量发现了两个明显的磁转变，这一结果得到了温度依赖性电输运数据的支持。电阻率（ρ–T）曲线表明存在磁极化子，这表明载流子与局部磁矩之间存在强耦合。在低温（T < 40 K）下，磁阻（MR）测量显示出随磁场变化的滞后现象，表明存在铁磁相和反铁磁相的共存。随着温度的升高，由于极化子的形成，负磁阻现象变得显著。为了更深入地了解电子结构，我们进行了密度泛函理论（DFT）计算。这些计算揭示了铁磁相互作用和反铁磁相互作用之间的竞争，突显了MnSb₂Te₄复杂的磁性质。总体而言，我们的发现表明MnSb₂Te₄是一个引人注目的系统，它具有共存的磁相和拓扑特性，值得进一步探索其磁拓扑耦合机制。

引言

内在磁性拓扑绝缘体（MTIs）是量子材料领域中最活跃的研究对象之一，因为它们为研究奇异输运现象提供了天然平台，包括在低温下实现量子反常霍尔效应（QAHE）[[1], [2], [3]]。这类量子材料结合了非平凡的能带拓扑结构和体内的磁能隙，为基础研究和自旋电子学应用提供了独特的机会[4,5]。近年来，已经报道了几种拓扑量子材料（TQMs），包括FeBi₂Te₄ [6]、SnBi₂Te₄ [7]、PbBi₂Te₄ [8,9]、MnBi₂Te₄ [10]和SnSb₂Te₄ [11]。其中，MnBi₂Te₄被认为是典型的MTI。从结构上看，MnBi₂Te₄源自著名的拓扑绝缘体Bi₂Te₃，其Te–Bi–Te–Mn–Te–Bi–Te层沿c轴堆叠[10,12,13]。在这些层中，BiTe层由于强的自旋-轨道耦合（SOC）而具有拓扑表面态，而Mn²⁺离子在约24 K以下贡献了反铁磁序[14]。MnBi₂Te₄中磁性和拓扑性的相互作用导致了诸如薄片中的QAHE等显著现象[15,16]。除了MnBi₂Te₄之外，同构化合物MnSb₂Te₄也作为同一类MTI中的有希望的候选材料而受到了广泛关注。MnSb₂Te₄以Te–Sb–Te–Mn–Te–Sb–Te的七层结构结晶，层与层之间通过范德华间隙分隔。多项研究[[17], [18], [19], [20]]表明MnSb₂Te₄在低温下表现出反铁磁序，通常伴随着电阻率和磁化的异常。重要的是，Mn/Sb反位缺陷被认为是影响其内在性质的关键因素[18,21]。这些缺陷可以改变有效的Mn浓度，抑制长程反铁磁序，诱导倾斜或铁磁贡献，并导致多个磁转变。对无序晶体的输运测量进一步揭示了反常霍尔效应和非饱和磁化[22,23]。尽管取得了这些进展，MnSb₂Te₄的本征基态仍存在争议，因为反位缺陷、Mn价态及其与输运性质之间的确切关系尚未完全明了。

受这些未解问题的启发，我们报告了通过简单的自磁通方法生长的高质量MnSb₂Te₄单晶。拉曼光谱的详细表征揭示了七层结构的预期振动模式，而XPS分析发现了多种Mn价态的共存。我们的磁性和输运测量表明存在双重磁转变和明显的滞后环，表明在低温下存在铁磁贡献。值得注意的是，多种Mn价态的共存为这些双重转变的起源提供了新的见解，超出了之前关于反位缺陷影响的报道。因此，这项工作澄清了MnSb₂Te₄的一些未解决方面，并建立了其结构、磁性和输运性质之间的更深层次联系。

实验部分

实验方法

MnSb₂Te₄块状单晶是采用自磁通方法生长的，具体步骤如图1所示。从Sigma Aldrich购买的纯度为99.999%的Mn（99.999%）、Sb（99.999%）和Te（99.999%）按化学计量比混合，然后在充满氩气的M-Braun手套箱中使用玛瑙研钵研磨。所得均匀混合物在液压压力下被压制成矩形块状。

结果与讨论

图2(a)显示了生长出的MnSb₂Te₄单晶片段的XRD图案。XRD图案仅在某些特定的2θ值处显示出强烈的峰，这些峰对应于（003n）平面。这表明合成的MnSb₂Te₄单晶沿c轴单向生长。所有观察到的峰都与其相应的平面进行了标定。此外，为了确认合成的MnSb₂Te₄单晶的相纯度，还对样品进行了Rietveld精修。

结论

在这项工作中，我们成功合成了高质量的单晶MnSb₂Te₄，这是一种层状范德华化合物，并研究了其结构、振动和物理性质。单晶和粉末XRD图案确认了其相纯度和结晶质量，显示出与预期菱形结构相符的清晰布拉格反射。尖锐而强烈的（00l）反射表明沿c轴优先生长，这是层状晶体的特征。

作者贡献声明

Ankush Saxena：撰写初稿、验证、软件开发、方法论设计、实验研究、数据分析、概念构建。 Shiu-Ming Huang：审稿与编辑、资源获取、项目管理、资金申请。 Navneet Kumar Karn：数据分析。 Manish Mani Sharma：审稿与编辑、撰写初稿、数据分析。 Kamal：数据分析。 Che-Min Lin：数据分析。 Mitch Chou：项目监督、项目管理、资金协调。

作者声明

所有作者对本文的贡献均等，且不存在利益冲突。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢CSIR-NPL提供的测量设施、热情支持与鼓励。作者感谢Pallavi Kushwaha博士和Jaidev Tanwar先生在MPMS实验中的帮助。Ankush Saxena感谢台湾科技部（MOST）的资助（资助编号：114-2811-M-006-002和114-2112-M-006-033）。