Челябинский физико-математический журнал. 2024■ Т. 9, вып. 4- С. 658-669.
УДК 537.9 Б01: 10.47475/2500-0101-2024-9-4-658-669
ОСОБЕННОСТИ МАГНИТОТРАНСПОРТНЫХ СВОЙСТВ МОНОКРИСТАЛЛОВ MoжW1-жTe2 (х = 0; 0.7)
А. Н. Перевалова", Б. М. Фоминых, В. В. Чистяков, В. В. Марченков6
Институт физики металлов им. М. Н. Михеева УрО РАН, Екатеринбург, Россия "domozhirova@imp.uran.ru, 6march@imp.uran.ru
Магнитотранспортные свойства монокристаллов Mo0.7W0.3Te2 и WTe2 исследованы при температурах от 4.2 до 80 К и в магнитных полях до 10 Тл. Сделаны оценки концентрации и подвижности электронных и дырочных носителей тока в исследуемых образцах при температуре 4.2 К. Установлено, что подвижность носителей в монокристалле WTe2 на порядок величины превышает значения, полученные для Mo0.7W0.3Te2, что связано с его более высокой «электрической» чистотой. Показано, что в WTe2 наблюдается минимум на температурной зависимости сопротивления в магнитном поле 10 Тл при температуре 60 К, который можно объяснить переходом от эффективно сильных к слабым магнитным полям. Отсутствие подобного минимума для монокристалла Mo0.7W0.3Te2 обусловлено тем, что область эффективно сильных магнитных полей для него не достигается. Установлено, что сопротивление Холла WTe2 квадратично зависит от магнитного поля при температуре 4.2 К, что связано с раскомпенсацией электронов и дырок, а также с рассеянием носителей заряда на поверхности образца, в то время как для Mo0.7W0.3Te2 наряду с квадратичным наблюдается линейный вклад в холловское сопротивление, причиной которого может быть наличие большого числа дефектов и примесей в кристалле, что приводит к уменьшению длины свободного пробега носителей и, следовательно, к уменьшению вклада электрон-поверхностного рассеяния.
Ключевые слова: дихалькогениды переходных металлов, топологические полуметаллы, Mo0.7W0.3Te2, WTe2, монокристаллы, магнитотранспортные свойства.
Введение
Дихалькогениды переходных металлов представляют собой обширную группу материалов, перспективных для применения во многих приложениях электроники, спинтроники и оптоэлектроники [1; 2]. Такие соединения проявляют разнообразные физические свойства, в частности, ШТе2 [3], МоТе2 [4] и МохШ1_хТе2 [5; 6] относятся к достаточно новому классу материалов — топологическим полуметаллам Вейля. Благодаря особенностям зонного спектра они имеют уникальные электронные свойства и представляют значительный интерес как для фундаментальной науки, так и для прикладных задач.
Авторы выражают благодарность С. В. Наумову и Е. Б. Марченковой за предоставление монокристаллов и помощь в их аттестации. Результаты исследования магнитотранспортных свойств Mo0.7W0.3Te2 (раздел 2.1) получены в рамках государственного задания Минобрнауки России (тема «Спин» № 122021000036-3) при частичной поддержке стипендии Президента Российской Федерации молодым ученым и аспирантам (А.Н.П., СП 2705.2022.1). Исследование магнитотранспортных свойств WTe2 (раздел 2.2) выполнено за счёт гранта Российского научного фонда (проект № 24-72-00168, https://rscf.ru/project/24-72-00168/, Институт физики металлов имени М. Н. Ми-хеева Уральского отделения Российской академии наук, Свердловская обл.).
В последние годы электронная структура и свойства топологических полуметаллов ШТе2 и МоТе2 достаточно хорошо исследованы, о чём свидетельствует большое число работ в этой области (см., например, [3; 4; 7-10]). Особенности рамановских спектров, а также температурных зависимостей электросопротивления широкого ряда соединений МохШ1_хТе2 представлены в работе [11]. Помимо аномалий электронных транспортных свойств, обусловленных нетривиальной топологией зонной структуры, таких как отрицательное продольное магнитосопротивление [8; 9], большое положительное ненасыщающееся поперечное магнитосопротивление [10], дополнительные частоты в квантовых осцилляциях [8], равная п фаза Берри [12], малая (близкая к нулю) эффективная масса носителей заряда [13], есть и другие особенности магнитотранспортных характеристик, не связанные напрямую с топологическими признаками, но также представляющие значительный интерес. К ним относятся, в частности, минимум на температурной зависимости сопротивления в магнитном поле и квадратичная полевая зависимость холловского сопротивления. Данные особенности наблюдались ранее в монокристалле ШТе2 с отношением сопротивлений р300к/р4.2К ~ 55 [14; 15], однако не были обнаружены в монокристалле МоТе2 с меньшим отношением сопротивлений рзоок/р4.2к ~ 15 [15; 16]. В этой связи представляет интерес проследить, как замещение атомов вольфрама атомами молибдена влияет на магнитотранспортные свойства МожШ1-жТе2, в частности Моо^о.зТе2.
Таким образом, целью настоящей работы является экспериментальное исследование и сравнение магнитотранспортных свойств монокристаллов МожШ1_жТе2 и ШТе2, установление и описание особенностей их поведения с температурой и магнитным полем, выявление возможных механизмов, приводящих к наблюдаемым эффектам.
1. Материалы и методы исследований
Рост монокристаллов Moo.7Wo.3Te2 и WTe2 с отношением сопротивлений Рзоок/р4.2к ~ 7 и р300к/р4.2к ~ 38 соответственно осуществлялся методом газотранспортных реакций, как это описано в работе [14] для WTe2. Аттестация полученных образцов проводилась путём рентгеновского дифракционного анализа на дифрактометре DRON-2.0 в излучении Сгка. Установлено, что соединения Mo0.7W0.3Te2 и WTe2 кристаллизовались в орторомбической структуре (пространственная группа (Pmn2\)) с параметрами решётки a = 3.514(8) A, b = 6.332(0) A, c = 13.943(0) А и a = 3.435(8) A, b = 6.312(7) A, c = 14.070(4) A соответственно. Фрагменты рентгенограмм перетёртых монокристаллов Mo0.7W0.3Te2 и WTe2 приведены на рис. 1.
Микроструктура поверхности и химический состав образцов исследованы методами сканирующей электронной микроскопии и рентгеновского энергодисперсионного микроанализа на сканирующем электронном микроскопе FEI Quanta 200 Pegasus с приставкой EDAX в Центре коллективного пользования (ЦКП) «Испытательный центр нанотехнологий и перспективных материалов» ИФМ УрО РАН. Установлено, что оба соединения имеют слоистую структуру. На рис. 2 приведены изображения микроструктуры поверхности монокристаллов Mo0.7W0.3Te2 и WTe2. Химический состав образцов близок к стехиометрическому. Соотношение Mo, W и Te составляет 23.32, 10.55 и 66.13 ат. % в случае Mo0.7W0.3Te2, а также 33.06 (W) и 66.94 (Te) ат. % в случае WTe2.
Измерения электросопротивления и гальваномагнитных свойств (магнитосопро-тивление и эффект Холла) выполнены общепринятым четырёхконтактным спосо-
Рис. 1. Фрагменты дифрактограмм перетёртых монокристаллов Mo0.7W0.3Te2 (а) и WTe2 (б). Символы — экспериментальные значения. Красная сплошная линия — расчёт. Зелёная линия — разность интенсивностей эксперимент/расчёт. Вертикальные метки внизу — положения углов Брэгга структуры (Ршп2\)). Звёздочками обозначены следы теллура
Рис. 2. Изображения поверхности монокристаллов M00.7W0.3Te2 (а) и WTe2 (б), полученные методом сканирующей электронной микроскопии
бом при температурах от 4.2 до 80 К и в магнитных полях до 10 Тл на установке для исследования гальваномагнитных явлений в сильных магнитных полях фирмы Oxford Instruments в ЦКП ИФМ УрО РАН. Были использованы монокристаллы Moq.7W0.3Te2 и WTe2 в форме тонких пластин размерами ^3.5x1.1x0.046 мм3 и ^3.5x0.7x0.02 мм3 соответственно. В процессе измерений электрический ток протекал в плоскости (001) монокристаллов, а магнитное поле было направлено перпендикулярно этой плоскости.
2. Результаты и обсуждение
2.1. Магнитотранспортные свойства Мо0.7W0.3Те2
На рис. 3 представлены температурные зависимости электросопротивления р(Т) при В = 0 и сопротивления рхх (Т) в магнитном поле В = 10 Тл монокристалла Мо0.7Wo.зТе2 в интервале температур от 4.2 до 80 К. Видно, что зависимость р(Т) имеет «металлический» вид, при этом электросопротивление монотонно увеличивается от 1.3-10-4 до 3.6-10-4 Ом^см с ростом температуры. Приложенное магнитное поле 10 Тл приводит к росту сопротивления рхх. Величина магнитосопротивления Дрхх/р, рассчитанная по формуле
Ар хх рхх р
-100%,
(1)
р р
составляет 31 % при температуре 4.2 К и в поле 10 Тл, где рхх — сопротивление в магнитном поле, р — электросопротивление в отсутствие поля.
4
Рис. 3. Температурная зависимость сопротивления Moo.7Wo.зТе2 без магнитного поля и в поле 10 Тл в интервале температур от 4.2 до 80 К
Одним из методов оценки концентрации и подвижности носителей заряда является анализ данных по эффекту Холла. Поскольку поверхность Ферми топологических полуметаллов МохWl-xТе2 содержит электронные и дырочные листы, объёмы которых приблизительно равны [6; 7], для оценки параметров носителей тока в таких материалах, как правило, используют двухзонную модель [17]:
= 1 (пн Рн + П ) + (пн Ре + П Рн )рн Ре В2
хх е (Пн Рн + Пе Ре )2 + (пн - Пе )2 Рн2 Ре2 В2
рху
В (пн Рн 2 - Пе Ре 2 ) + (пн - Пе ) Рн 2 Ре 2 В2
(2)
(3)
е (пн Рн + Пе Ре )2 + (пн - Пе )2 Рн 2 Ре 2 В2 Здесь рху — сопротивление Холла; пе (пн) и Ре (рн) — концентрация и подвижность электронов (дырок).
На рис.4 приведены полевые зависимости сопротивления рхх(В) и холловского сопротивления рху (В) монокристалла Мо0.7W0.3Те2 при температуре 4.2 К в магнитных полях до 10 Тл. Отметим, что холловское сопротивление рху изменяется
пропорционально В13 при Т = 4.2 К в интервале полей от 0 до 10 Тл (рис. 4). Нелинейная зависимость рху (В) может указывать на наличие нескольких групп носителей заряда.
0
8
10
1.8
1.7
о
О 1.6
М°(Л.ЗТе2
Т = 4.2 К
Т о
сС
о
1.5
1.4
1.3 0.0
-0.5
-1.0
-1.5
-2.0
Ранее для монокристалла WTe2 с отношением сопротивлений р300к/р4.2К ~ 55 наблюдалась квадратичная
зависимость рху (В), которая, как предполагается, связана не только с раскомпенсацией электронов и дырок, а также и с рассеянием носителей тока на поверхности [15]. В данном случае причиной наличия линейного по магнитному полю вклада в холловское сопротивление наряду с квадратичным может быть наличие большего числа дефектов и примесей в кристалле Мо0.7 Wo.з Те2, что приводит к уменьшению длины свободного пробега носителей и, следовательно, к уменьшению вклада электрон-поверхностного рассеяния.
Оценка концентрации и подвижности носителей тока в Мо0.7W0.3Те2 была проведена путём одновременной подгонки экспериментальных данных (точки на графике) с помощью уравнений (2) и (3) (сплошные линии) (см. рис. 4). Видно, что полевая зависимость сопротивления Холла рху (В) хорошо описывается в рамках двухзонной модели. В то же время более точного описания экспериментальных данных для рхх(В) подгоночной кривой добиться не удалось. Полученные значения концентрации и подвижно-
Экспериментальные данные Подгонка по двухзонной модели
4 6 8 В, Т
Рис. 4. Полевые зависимости сопротивления рхх(В) и холловского сопротивления рху (В) монокристалла Moo.7Wo.3Te2 при температуре 4.2 К в магнитных полях до 10 Тл. Точки представляют собой экспериментальные данные, сплошные линии — кривые подгонки, полученные в рамках двухзонной модели с использованием программы для ЭВМ [18]
сти электронных и дырочных носителей:
ие = 5.3 • 10
19 см-3,
ин = 3.0 • 1019 см-
Ре = 5.3 • 102 см2/(В-с), рн = 5.9 • 102 см2/(В-с) при Т = 4.2 К.
2.2. Магнитотранспортные свойства WTe2
Температурная зависимость электросопротивления р(Т) без магнитного поля и сопротивления рхх (Т) в поле В = 10 Тл монокристалла WTe2 в диапазоне температур от 4.2 до 80 К представлена на рис. 5. Электросопротивление демонстрирует «металлическое» поведение, монотонно увеличиваясь от 0.48-10-5 до 4.0-10-5 Ом-см с ростом температуры. Внешнее магнитное поле приводит к росту сопротивления рхх. Магнитосопротивление, рассчитанное по формуле (1), составляет 2170% при Т = 4.2 К в поле В = 10 Тл, что превышает величину Дрхх/р = 31 % монокристалла Мо0.7W0.3Те2. По-видимому, это связано с тем, что монокристалл WTe2 имеет
1
■ 10 т^
Рис. 5. Температурная зависимость сопротивления WTe2 без магнитного поля и в поле 10 Тл в интервале температур от 4.2 до 80 К
Кроме того, на зависимости рхх(Т) исследуемого монокристалла WTe2 в поле 10 Тл появляется минимум при Т = 60 К (рис. 5), аналогично наблюдаемым в работах [10; 19] для данного соединения. Как показано в работе [14], причиной этого минимума является переход от эффективно сильных к эффективно слабым магнитным полям, что характеризуется и определяется величиной т — циклотронная частота, т — время релаксации): области сильных полей соответствует т ^ 1, а области слабых полей — т ^ 1. Величина т, оценённая с помощью формул = еВ/т* и т = (рт*)/е (е — заряд электрона, т* — эффективная масса носителей тока, р — их подвижность (была взята равной ре, указанной ниже)), составляет 5.7 для монокристалла WTe2 при Т = 4.2 К в поле В = 10 Тл. Это соответствует области эффективно сильных магнитных полей. Тогда как для исследуемого монокристалла Мо0 7W0.3Те2 при аналогичных условиях область сильных полей не достигается, поскольку для него т = 0.53 при температуре 4.2 К в поле В = 10 Тл. Этим можно объяснить отсутствие минимума на зависимости рхх (Т) монокристалла Мо07W0.3Те2, представленной на рис.3. В монокристалле МоТе2 в условиях сильных магнитных полей подобный минимум наблюдался в работе [20].
Для оценки концентрации и подвижности носителей тока в WTe2 был проведён анализ зависимостей рхх(В) и рху(В) при Т = 4.2 К в полях до В = 10 Тл в рамках двухзонной модели с помощью формул (2) и (3). Экспериментальные данные хорошо описываются подгоночными кривыми, как это показано на рис. 6. «Ступеньки», явно наблюдаемые на зависимости рху(В) в полях выше 7.5 Тл, представляют собой осцилляции Шубникова — де Гааза, анализ которых в данной работе не проводился. Концентрация и подвижность электронных и дырочных носителей в исследуемом монокристалле WTe2 при температуре 4.2 К составляют: пе = 1.1 • 1020 см-3, пн = 9.1 • 1019 см-3, ре = 5.7 • 103 см2/(В-с), рн = 3.6 • 103 см2/(В-с). Отметим, что подвижность носителей тока в WTe2 на порядок величины превышает значения, полученные для монокристалла Мо0.7W0.3Те2. Это связано с более высокой «электрической» чистотой монокристалла WTe2, которая оценивается по отношению сопротивлений р300К/р4.2К.
'4
О 2 4 6 8 10
В, т
Рис. 6. Полевые зависимости сопротивления рхх (В) и холловского сопротивления рху (В) монокристалла WTe2 при температуре 4.2 К в магнитных полях до 10 Тл. Точки представляют собой экспериментальные данные, сплошные линии - кривые подгонки, полученные в рамках двухзонной модели с использованием программы для ЭВМ [18]
Отметим также, что холловское сопротивление рху изменяется пропорционально В2 при Т = 4.2 К в интервале полей от 0 до 10 Тл (рис. 6). Такая зависимость наблюдалась ранее в работе [15] для монокристалла WTe2 с отношением сопротивлений р300к/р4.2к ~ 55 и может быть связана с раскомпенсацией электронов и дырок, а также с рассеянием носителей заряда на поверхности образца.
Заключение
Проведённое исследование магнитотранспортных свойств монокристаллов Мо0.7W0.3Te2 и WTe2 позволило сделать следующие выводы.
1. В WTe2 наблюдается минимум на температурной зависимости сопротивления в магнитном поле 10 Тл, который можно объяснить переходом от эффективно сильных к слабым магнитным полям. Отсутствие подобного минимума на зависимости рхх (Т) монокристалла Мо0.7W0.3Te2 в поле 10 Тл связано с тем, что область эффективно сильных магнитных полей для него не достигается.
2. В исследуемых монокристаллах Мо0.7W0.3Te2 и WTe2 преобладают электронные носители тока с концентрацией 5.3 • 1019 и 1.1 • 1020 см-3 соответственно при температуре 4.2 К. Подвижность носителей тока в монокристалле WTe2
на порядок величины превышает значения, полученные для Moo.7Wo.3Te2, что связано с его более высокой «электрической» чистотой.
3. Сопротивление Холла WTe2 квадратично зависит от магнитного поля, что связано с раскомпенсацией электронов и дырок, а также с рассеянием носителей заряда на поверхности образца. В то время как для Mo0.7W0.3Te2 наряду с квадратичным наблюдается линейный вклад в холловское сопротивление, причиной которого может быть наличие большого числа дефектов и примесей в кристалле, что приводит к уменьшению длины свободного пробега носителей и, следовательно, к уменьшению вклада электрон-поверхностного рассеяния.
Список литературы
1. ChoiW., ChoudharyN., Han G. H., ParkJ., AkinwandeD., Lee Y. H.
Recent development of two-dimensional transition metal dichalcogenides and their applications // Materials Today. 2017. Vol. 20. P. 116-130.
2. LiuY., ZengC., ZhongJ., Ding J., WangZ.M., LiuZ. Spintronics in two-dimensional materials // Nano-Micro Letters. 2020. Vol. 12. P. 93.
3. Soluyanov A.A., GreschD., WangZ., WuQ., TroyerM., DaiX., BernevigB. A. Type-II Weyl semimetals // Nature. 2015. Vol. 527. P. 495-498.
4. DengK., WanG., Deng P., Zhang K., DingS., WangE., YanM., Huang H., Zhang H., XuZ., DenlingerJ., FedorovA., YangH., DuanW., YaoH., WuY., FanS., Zhang H., ChenX., ZhouS. Experimental observation of topological Fermi arcs in type-II Weyl semimetal MoTe2 // Nature Physics. 2016. Vol. 12. P. 1105-1110.
5. Chang T. R., XuS.-Y., Chang G., LeeC.-C., Huang S.-M., WangB., BianG., Zheng H., Sanchez D. S., Belopolski I., AlidoustN., NeupaneM., BansilA., JengH.-T., LinH., Hasan M. Z. Prediction of an arc-tunable Weyl Fermion metallic state in MoxW1-xTe2 // Nature Communications. 2016. Vol. 7. P. 10639.
6. Belopolski I., Sanchez D. S., IshidaY., PanX., YuP., XuS.-Y., Chang G., Chang T. R., Zheng H., AlidoustN., BianG., NeupaneM., Huang S.-M., LeeC.-C., SongY., BuH., WangG., LiS., EdaG., JengH.-T., KondoT., LinH., LiuZ., SongF., ShinS., Hasan M. Z. Discovery of a new type of topological Weyl fermion semimetal state in MoxW1-xTe2 // Nature Communications. 2016. Vol. 7. P. 13643.
7. Jiang J., TangF., PanX. C., LiuH.M., NiuX.H., WangY.X., XuD.F., YangH. F., XieB.P., SongF. Q., DudinP., KimT.K., HoeschM., Kumar Das P., VobornikI., WanX. G., FengD.L. Signature of strong spinorbital coupling in the large nonsaturating magnetoresistance material WTe2 // Physical Review Letters. 2015. Vol. 115. P. 166601.
8. Li P., WenY., HeX., Zhang Q., XiaC., YuZ.-M., Yang S.A., ZhuZ., Alshareef H. N., Zhang X.-X. Evidence for topological type-II Weyl semimetal WTe2 // Nature Communications. 2017. Vol. 8. P. 2150.
9. WangY., LiuE., LiuH., PanY., ZhangL., ZengJ., FuY., WangM., XuK., HuangZ., WangZ., LuH.-Z., XingD., WangB., WanX., MiaoF. Gate-tunable negative longitudinal magnetoresistance in the predicted type-II Weyl semimetal WTe2 // Nature Communications. 2016. Vol. 7. P. 13142.
10. AliM.N., Xiong J., FlynnS., TaoJ., Gibson Q.D., SchoopL.M., Liang T., Haldolaarachchige N., Hirschberger M., OngN.P., Cava R.J. Large, non-saturating magnetoresistance in WTe2 // Nature. 2014. Vol. 514. P. 205-208.
11. LvY.-Y., CaoL., LiX., Zhang B.-B., WangK., PangB., MaL., LinD., YaoS.-H., Zhou J., Chen Y. B., DongS.-T., LiuW., LuM.-H., ChenY., ChenY.-F. Composition and temperature dependent phase transition in miscible Mo1-xWxTe2 single crystals // Scientific Reports. 2017. Vol. 7. P. 44587.
12. ZhaoW., WangX. Berry phase in quantum oscillations of topological materials // Advances in Physics: X. 2022. Vol. 7. P. 2064230.
13. Hu J., Xu S.-Y., Ni N., Mao Z. Transport of topological semimetals // Annual Review of Materials Research. 2019. Vol. 49. P. 11.1-11.46.
14. Перевалова А. Н., Наумов С. В., Подгорных С. М., Чистяков В. В., Мар-ченковаЕ.Б., Фоминых Б. М., Марченков В. В. Кинетические свойства монокристалла топологического полуметалла WTe2 // Физика металлов и металловедение. 2022. Т. 123. С. 1131-1137.
15. Perevalova A. N., NaumovS.V., Fominykh B. M., Marchenkova E. B., Liang S. H., Marchenkov V. V. The Hall effect in single crystals of topological semimetals WTe2 and MoTe2 // Physics of Metals and Metallography. 2024. Vol. 125. P. 406-411.
16. Perevalova A. N., Naumov S. V., Marchenkov V. V. Peculiarities of the electro- and magnetotransport in semimetal MoTe2 // Metals. 2022. Vol. 12. P. 2089.
17. LuoY., LiH., Dai Y. M., MiaoH., ShiY. G., DingH., Taylor A. J., Yarotski D. A., Prasankumar R. P., Thompson J. D. Hall effect in the extremely large magnetoresistance semimetal WTe2 // Applied Physics Letters. 2015. Vol. 107. P. 182411.
18. Чистяков В. В., Перевалова А. Н., Марченков В. В. Применение двухзонной модели для анализа гальваномагнитных свойств топологических полуметаллов. Св-во о гос. регистрации программы для ЭВМ № 2022660290 от 01.06.2022 г.
19. WangY. L., Thoutam L. R., XiaoZ. L., Hu J., DasS., MaoZ.Q., Wei J., Divan R., Luican-Mayer A., Crabtree G. W., KwokW. K. Origin of the turn-on temperature behavior in WTe2 // Physical Review B. 2015. Vol. 92. P. 180402(R).
20. PeiQ.L., MengW.J., LuoX., LvH.Y., ChenF. C., LuW.J., Han Y. Y., TongP., SongW. H., HouY.B., LuQ.Y., SunY. P. Origin of the turn-on phenomenon in Td-MoTe2 // Physical Review B. 2017. Vol. 96. P. 075132.
Поступила в 'редакцию 10.08.2024. После переработки 22.09.2024-
Сведения об авторах
Перевалова Александра Николаевна, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник, Институт физики металлов имени М. Н. Михеева УрО РАН, Екатеринбург, Россия; e-mail: domozhirova@imp.uran.ru.
Фоминых Богдан Михайлович, инженер-исследователь, Институт физики металлов имени М. Н. Михеева УрО РАН, Екатеринбург, Россия; e-mail: bogdan.fominyh@mail.ru. Чистяков Василий Владимирович, научный сотрудник, Институт физики металлов имени М. Н. Михеева УрО РАН, Екатеринбург, Россия; e-mail: saddax@yandex.ru. Марченков Вячеслав Викторович, доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник, Институт физики металлов имени М. Н. Михеева УрО РАН, Екатеринбург, Россия; e-mail: march@imp.uran.ru.
Chelyabinsk Physical and Mathematical Journal. 2024. Vol. 9, iss. 4- P. 658-669.
DOI: 10.47475/2500-0101-2024-9-4-658-669
PECULIARITIES OF MAGNETOTRANSPORT PROPERTIES OF MoxWi-xTe2 (x = 0; 0.7) SINGLE CRYSTALS
A.N. Perevalova", B.M. Fominykh, V.V. Chistyakov, V.V. Marchenkovb
M.N. Mikheev lnstitute of Metal Physics, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, Ekaterinburg, Russia
"domozhirova@imp.uran.ru, bmarch@imp.uran.ru
The magnetotransport properties of Moo.7Wo.3Te2 and WTe2 single crystals were studied at temperatures from 4.2 to 80 K and in magnetic fields up to 10 T. The concentrations and mobilities of electron and hole current carriers were estimated in the studied samples at a temperature of 4.2 K. It was found that the carrier mobility in the WTe2 single crystal is an order of magnitude higher than the values obtained for Mo0.7W0.3Te2, which is associated with its higher "electrical" purity. A minimum of the temperature dependence of the resistivity of WTe2 was found in a magnetic field of 10 T at a temperature of 60 K, which can be explained by the transition from effectively high magnetic fields to weak ones. The absence of such a minimum for the Mo0.7W0.3Te2 single crystal is due to the fact that the region of effectively high magnetic fields is not reached for it. The Hall resistivity of WTe2 was shown to depend quadratically on the magnetic field at a temperature of 4.2 K, which is associated with the decompensation of electrons and holes, as well as with the scattering of charge carriers on the surface of the sample. Whereas for Mo0.7 W0.3Te2, along with the quadratic contribution, a linear contribution to the Hall resistivity was observed, the cause of which may be the presence of a large number of defects and impurities in the crystal, which leads to a decrease in the mean free path of carriers and, consequently, to a decrease in the contribution of electron-surface scattering.
Keywords: transition metal dichalcogenides, topological semimetals, Mo0.7W0.3Te2, WTe2, single crystals, magnetotransport properties.
References
1. ChoiW., ChoudharyN., HanG.H., Park J., AkinwandeD., LeeY.H. Recent development of two-dimensional transition metal dichalcogenides and their applications. Materials Today, 2017, vol. 20, pp. 116-130.
2. LiuY., ZengC., ZhongJ., Ding J., WangZ.M., LiuZ. Spintronics in two-dimensional materials. Nano-Micro Letters, 2020, vol. 12, p. 93.
3. Soluyanov A.A., GreschD., WangZ., WuQ., TroyerM., DaiX., BernevigB.A. Type-II Weyl semimetals. Nature, 2015, vol. 527. P pp. 495-498.
4. DengK., WanG., Deng P., Zhang K., DingS., WangE., YanM., Huang H., ZhangH., XuZ., Denlinger J., FedorovA., YangH., DuanW., YaoH., WuY., FanS., ZhangH., ChenX., ZhouS. Experimental observation of topological Fermi arcs in type-II Weyl semimetal MoTe2. Nature Physics, 2016, vol. 12, pp. 1105-1110.
The authors are grateful to S.V. Naumov and E.B. Marchenkova for providing single crystals and assistance in their certification. The results of studying magnetotransport properties of Mo0.7W0.3Te2 (section 2.1) were obtained within the framework of the State assignment of the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation (theme "Spin" No. 122021000036-3) with partial support from the scholarship of the President of the Russian Federation for young scientists and graduate students (A.N. Perevalova, SP-2705.2022.1). The study of magnetotransport properties of WTe2 (section 2.2) was supported by the Russian Science Foundation (project No. 24-72-00168, https://rscf.ru/project/24-72-00168/, M.N. Mikheev Institute of Metal Physics, Ural Branch, Russian Academy of Sciences, Sverdlovsk region).
5. Chang T.R., XuS.-Y., Chang G., LeeC.-C., Huang S.-M., WangB., BianG., Zheng H., Sanchez D.S., Belopolski I., AlidoustN., NeupaneM., BansilA.,
JengH.-T., LinH., HasanM.Z. Prediction of an arc-tunable Weyl Fermion metallic state in MoxW1-xTe2. Nature Communications, 2016, vol. 7, p. 10639.
6. Belopolski I., Sanchez D.S., IshidaY., PanX., Yu P., XuS.-Y., Chang G., Chang T.R., Zheng H., AlidoustN., BianG., NeupaneM., Huang S.-M., LeeC.-C., Song Y., Bu H., Wang G., Li S., EdaG., JengH.-T., KondoT., LinH., LiuZ., SongF., Shin S., Hasan M.Z. Discovery of a new type of topological Weyl fermion semimetal state in MoxW1-xTe2. Nature Communications, 2016, vol. 7, p. 13643.
7. Jiang J., Tang F., Pan X.C., LiuH.M., NiuX.H., WangY.X., XuD.F., Yang H.F., Xie B.P., SongF.Q., DudinP., Kim T.K., HoeschM., Kumar Das P., VobornikI., WanX.G., FengD.L. Signature of strong spinorbital coupling in the large nonsaturating magnetoresistance material WTe2. Physical Review Letters, 2015, vol. 115, p. 166601.
8. Li P., WenY., HeX., Zhang Q., XiaC., YuZ.-M., Yang S.A., ZhuZ., Alshareef H.N., Zhang X.-X. Evidence for topological type-II Weyl semimetal WTe2. Nature Communications, 2017, vol. 8, p. 2150.
9. WangY., LiuE., LiuH., PanY., ZhangL., ZengJ., FuY., WangM., XuK., HuangZ., WangZ., LuH.-Z., XingD., WangB., WanX., MiaoF. Gate-tunable negative longitudinal magnetoresistance in the predicted type-II Weyl semimetal WTe2. Nature Communications, 2016, vol. 7, p. 13142.
10. Ali M.N., Xiong J., FlynnS., TaoJ., Gibson Q.D., SchoopL.M., Liang T., Haldolaarachchige N., Hirschberger M., OngN.P., Cava R.J. Large, non-saturating magnetoresistance in WTe2. Nature, 2014, vol. 514, pp. 205-208.
11. LvY.-Y., CaoL., LiX., ZhangB.-B., WangK., PangB., MaL., LinD., YaoS.-H., Zhou J., Chen Y.B., DongS.-T., LiuW., LuM.-H., ChenY., ChenY.-F. Composition and temperature dependent phase transition in miscible MoxW1-xTe2 single crystals. Scientific Reports, 2017, vol. 7, p. 44587.
12. ZhaoW., WangX. Berry phase in quantum oscillations of topological materials // Advances in Physics: X. 2022. Vol. 7. P. 2064230.
13. HuJ., XuS.-Y., NiN., MaoZ. Transport of topological semimetals. Annual Review of Materials Research, 2019, vol. 49, pp. 11.1-11.46.
14. Perevalova A.N., NaumovS.V., Podgornykh S.M., Chistyakov V.V., Marchenkova E.B., Fominykh B.M., Marchenkov V.V. Kinetic properties of a topological semimetal WTe2 single crystal. Physics of Metals and Metallography, 2022, vol. 123, pp. 1061-1067.
15. Perevalova A.N., NaumovS.V., Fominykh B.M., Marchenkova E.B., Liang S.H., Marchenkov V.V. The Hall effect in single crystals of topological semimetals WTe2 and MoTe2. Physics of Metals and Metallography, 2024, vol. 125, pp. 406-411.
16. Perevalova A.N., NaumovS.V., Marchenkov V.V. Peculiarities of the electro- and magnetotransport in semimetal MoTe2. Metals, 2022, vol. 12, p. 2089.
17. LuoY., LiH., Dai Y.M., MiaoH., ShiY.G., DingH., Taylor A.J., Yarotski D.A., Prasankumar R.P., Thompson J.D. Hall effect in the extremely large magnetoresistance semimetal WTe2. Applied Physics Letters, 2015, vol. 107, p. 182411.
18. Chistyakov V.V., Perevalova A.N., Marchenkov V.V. Application of a two-band model for the analysis of galvanomagnetic properties of topological semimetals. Certificate of state registration of the computer program №2022660290, 01.06.2022.
19. Wang Y.L., Thoutam L.R., XiaoZ.L., HuJ., DasS., Mao Z.Q., Wei J., Divan R., Luican-Mayer A., Crabtree G.W., KwokW.K. Origin of the turn-on temperature behavior in WTe2. Physical Review B, 2015, vol. 92, p. 180402(R).
20. Pei Q.L., Meng W.J., LuoX., LvH.Y., ChenF.C., Lu W.J., Han Y.Y., TongP.,
SongW.H., HouY.B., LuQ.Y., SunY.P. Origin of the turn-on phenomenon in Td-MoTe2. Physical Review B, 2017, vol. 96, p. 075132.
Article received 10.08.2024. Corrections received 22.09.2024.