非磁性拓扑半金属Cd3As2纳米片中可调控的异常霍尔效应研究及其器件应用前景

《Advanced Electronic Materials》：Tunable Anomalous Hall Effect in Non-Magnetic Topological Semimetal Cd3As2 Nanoplates

本研究发现非磁性狄拉克半金属Cd3As2纳米片中存在栅压可调的异常霍尔效应（AHE），其最大霍尔电导率出现在狄拉克点附近。通过标度关系分析证实该效应主要源于贝里曲率（Berry Curvature）的本征贡献，揭示了拓扑半金属中独特的电子传输机制，为开发新型拓扑电子器件提供了重要理论基础和实践路径。

　　

引言

异常霍尔效应（AHE）作为凝聚态物理中的重要现象，其观测通常需要时间反演对称性的破缺。在磁性材料中，AHE的研究已形成完善的理论体系，包括源于载流子自旋相关散射的外在机制（侧向跳跃和斜散射）以及与动量空间贝里曲率相关的内在机制。近年来，具有非平庸能带结构的拓扑半金属因其显着的贝里曲率特性引发广泛关注，其中Cd₃As₂作为典型三维拓扑狄拉克半金属，在Γ点附近存在Cd-5s态（导带）低于As-4p态（价带）的能带反转现象，导致体导带和价带在狄拉克点处相接，这一特性已被扫描隧道谱、角分辨光电子能谱和输运实验所证实。

结果

通过四端法测量器件D1的转移特性曲线，发现纵向电导G_xx在栅压20V处出现谷值，对应狄拉克点位置V_d=20V。采用公式μ = (dG_xx/dV_g) × (L/W) × (1/C_g)计算载流子迁移率，其中栅氧化层厚度285nm，SiO₂介电常数3.9，测得电子迁移率为9144.11 cm²/V·s，空穴迁移率为728.79 cm²/V·s。外加磁场后观察到显着的霍尔电阻非线性行为，通过扣除高磁场区线性背景（普通霍尔效应贡献），提取出饱和型异常霍尔电阻ρ_AHE，其在约1T磁场后达到饱和。

栅压调控实验表明，ρ_AHE随栅压变化呈现开关效应：当费米能级通过栅压调节偏离狄拉克点时，饱和异常霍尔电阻值逐渐降低，最大响应出现在狄拉克点附近（V_g-V_d≈0V）。角度依赖性测量显示，当磁场方向与样品平面垂直时（θ=90°），AHE达到最大值。温度依赖性测试发现ρ^sat_AHE在40K以下对温度变化不敏感，暗示其可能源于对声子散射不敏感的本征机制。

讨论

采用Tian-Ye-Jin标度模型拟合实验数据：ρ_AHE = αρ_xx0 + βρ_xx0² + bρ_xx0⁰，其中α项、β项和b项分别对应斜散射、侧向跳跃和本征贡献。通过公式ρ_xx = (V_xx/I) × (W/L)和ρ_AHE = ρ_xy - R₀B计算相关参数，拟合得到b = 87.90 ± 7.38 S/cm，表明Cd₃As₂纳米片中的AHE主要来自本征贡献。

本征异常霍尔电导率可表示为贝里曲率在费米海范围内的积分：σ_xy^int = (e²/?)∫d³k/(2π)³∑_nf(ε_n(k))Ω_n,z(k)。在狄拉克/外尔半金属的动量空间中，外尔节点表现为有效磁单极子，产生强贝里曲率Ω(k)并形成有效磁场，进而产生垂直于电场的异常速度。理论研究表明，外加磁场可使Cd₃As₂的狄拉克点分裂为四个外尔点，系统从狄拉克半金属转变为外尔半金属。由于两对外尔点具有相反手性，其异常霍尔效应在简并时相互抵消，而在外磁场作用下分裂的外尔节点导致非零异常霍尔电阻的实验观测。栅压调控实验进一步支持这一本征场景：异常霍尔电阻在狄拉克点附近达到最大值，随着费米能级远离狄拉克点而减小，这种栅压可调性展示了实现栅控面内AHE的潜力。

实验方法

采用化学气相沉积法（CVD）合成厚度40-150nm的Cd₃As₂纳米片，将其转移至285nm SiO₂/Si衬底上。通过电子束光刻定义霍尔巴结构，经Ar⁺刻蚀后立即采用电子束蒸发沉积Ti/Au电极形成欧姆接触。电输运测量在Quantum Design物理性质测量系统（PPMS）中完成，使用SR830锁相放大器进行信号检测。

本研究系统报道了非磁性拓扑半金属Cd₃As₂纳米片中的异常霍尔效应，揭示了其栅压可调特性及本征贝里曲率主导机制，为理解拓扑半金属中的AHE提供了重要见解，也为开发新型拓扑电子器件奠定了实验基础。