阅读说明：本技术 一种高质量的拓扑半金属InBi生长方法 (High-quality topological semi-metal InBi growth method ) 是由 王学锋 李焱 张敏昊 钮伟 于 2020-06-18 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种利用高温回转炉生长高质量拓扑半金属InBi单晶的方法,块体是In、Bi元素以1:1化学计量比形成的化合物,是具有第二类狄拉克点的拓扑半金属材料,通过低场磁输运测试,块体单晶具有大的载流子浓度1018cm-3和高迁移率,14T未饱和磁阻MR的值到达12000％,低温1.5K、高场60T出项明显振荡；同时角分辨光电子能谱(ARPES)和X射线衍射光谱仪(XRD)的表征,证明了其很高的质量,ARPES分析在ΓXΓ和MXM方向上发现2条nodal-line。制备方法是高温融合后,以1℃/min的速率缓慢降温至室温结晶形成大块单晶,所获得的单晶表征ARPES和XRD信号均与文献记载相吻合,确定为高质量的块体,同时材料制备参数易调整,设备简单,易操作,生长过程可控,工艺重复性好,具有较高的制备效率。(The invention discloses a method for growing high-quality topological semi-metal InBi single crystals by using a high-temperature rotary furnace, wherein a block is a compound formed by In and Bi elements In a 1:1 stoichiometric ratio, and is a topological semi-metal material with a second class of Dirac points, and through a low-field magnetic transport test, the block single crystal has large carrier concentration of 1018cm & lt-3 & gt and high mobility, the value of 14T unsaturated magnetic resistance MR reaches 12000%, and the low-temperature 1.5K and high-field 60T obviously oscillate; the high quality was demonstrated by simultaneous characterization of angle-resolved photoelectron spectroscopy (ARPES) and X-ray diffraction spectroscopy (XRD), the ARPES analysis finding 2 nodal-lines in the X and MXM directions. The preparation method is that after high-temperature fusion, the temperature is slowly reduced to room temperature at the speed of 1 ℃/min to crystallize to form bulk single crystals, the characterization ARPES and XRD signals of the obtained single crystals are identical with those recorded in the literature and are determined to be high-quality blocks, and meanwhile, the preparation parameters of the material are easy to adjust, the equipment is simple, the operation is easy, the growth process is controllable, the process repeatability is good, and the preparation efficiency is higher.)

一种高质量的拓扑半金属InBi生长方法

技术领域

本发明属于拓扑半金属材料技术领域，特别涉及第二类狄拉克点的表征和相关结构特征、磁存储技术应用。

背景技术

近年来，对拓扑绝缘体的研究表明，绝缘体可以进一步细分为一般绝缘体和拓扑绝缘体。拓扑绝缘体可以表现出与一般绝缘体完全不一样的量子现象与物性，例如拓扑保护的表面态、反弱局域化，量子自旋/反常霍尔效应等。兴起的拓扑绝缘体及其第一类和第二类狄拉克材料体系存在着许多新奇的物理现象，拓扑节点半金属(如锆硅硫ZrSiS)在物理特性上展现了不一样的性质，这些材料在凝聚态物理学、量子材料科学等多学科领域产生了广泛而深远的影响，为拓扑材料物性研究和新型拓扑材料的发现提供了新的载体与依据。

传统的拓扑狄拉克半金属材料(如砷化镉Cd3As2)，在动量空间上其体相的导带和价带在离散点的线性接触形成狄拉克点。最近一种新的狄拉克半金属材料InBi拥有稳健的狄拉克节点(体相离散的狄拉克点延伸变成一维线)受到广泛关注和研究。我们通过管式炉制备了高质量的InBi单晶块体，并对其进行电磁输运的研究，结果显示其大的载流子浓度和高的迁移率，60T都不饱和的巨大磁阻可用于磁存储技术。在此基础上，我们还进行了角分辨光电子谱(APRES)的测试，在ΓXΓ和MXM方向上分别发现了2条nodal line，证实了其拓扑节点半金属的本质。InBi的狄拉克点结构在凝聚态物理学领域具有很大的研究和应用前景，研究其生长方法，获得高质量大尺寸的块体具有较大的研究价值。本发明中就介绍了一种运用管式炉的方法生长出大尺寸高质量InBi的方法，并提供了对其相关特性的数据。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种方便生长大块、高质量InBi单晶的制备方法及块体相关性质的表征，通过低场PPMS测试，具有大的载流子浓度1018cm-3和迁移率(10000cm2V-1s-1)，14T未饱和MR的值到达12000％。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种高质量的拓扑半金属InBi生长方法，所述方法如下：

步骤1：将In粉和Bi粉按比例1:1混合放入小石英管中，用机械泵将气压抽至低于0.1mbar后封管；

步骤2：将封管后的石英管放入高温管式炉中，倾斜放置，使材料端低于管口，便于长出大块单晶，并24h温度内升至800℃；

步骤3：在800℃保温48h，期间缓慢旋转管式炉；

步骤4：在步骤3后，以1℃/min的速率缓慢降温至室温后取出。

作为上述技术方案的改进，所述InBi块体，由In、Bi以化学元素1:1形成化合物，具有高迁移率和载流子浓度，颜色银白色，单晶尺度cm级，并可剥离为表面平整、较薄的片状。

本发明的有益效果：

上述生长方法设备简单，易操作，制备参数易调整，且工艺重复性好，具有较高的制备效率，并且可拓展到制备其它高质量的拓扑半金属材料。

本发明提供了一种制备高质量InBi块体的方法，该材料是第二类狄拉克拓扑半金属中的一种，具有很高的物理研究意义，且生长方法是目前较为简单、易行的块体材料制备技术；本发明利用高温完全融合及缓慢降温结晶制备了较高迁移率、载流子浓度的InBi单晶块体，且提高了材料的尺寸，从而有利于进一步研发相关拓扑材料。

本发明所得到的上述材料，是高质量的单晶块体，颜色为银白色，经过XRD和角分辨光电子能谱(ARPES)的表征，都证明了其很高的质量，ARPES分析在ΓXΓ和MXM方向发现2条nodal-line，低场和高场的磁输运测试都表明了高迁移率和大的载流子浓度。

附图说明

图1为高温旋转炉仪器结构示意图；

图2为InBi块体的X射线衍射图谱；

图3为InBi单晶的在28eV能量下的角分辨光电子能谱；

图4为InBi块体的低温高场输运电阻图谱；

图5为InBi块体的低温高场RT输运图谱,表明了很好的金属性；

图6为InBi块体的在1.5K时转角输运图谱，当磁场垂直样品表面时(0度)振荡较为明显。

具体实施方式

实施例

附图标记说明：1-高纯氩气气瓶；2、10-旋转阀；3、9-法兰；4-石英管；5-加热丝；6-小石英管；7-样品粉末；8-石英棉；11-控制连接器。

一种高质量的拓扑半金属InBi生长方法，所述方法如下：

步骤1：将In粉和Bi粉按比例1:1混合放入小石英管中，用机械泵将气压抽至低于0.1mbar后封管；

本步骤中不用研磨，因为In粉很容易受力成块。

步骤2：将封管后的石英管放入高温管式炉中，倾斜放置，使材料端低于管口，便于长出大块单晶，并24h温度内升至800℃；

本步骤中倾斜放置是为了形成大块的单晶。

步骤3：在800℃保温48h，并缓慢旋转管式炉；

本步骤中保温和旋转的目的是为了让In和Bi混合均匀。

步骤4：在步骤3后，以1℃/min的速率缓慢降温至室温后取出。

本步骤中要注意降温速度的控制，缓慢降温是为了更好的结晶，降温时间可根据管式炉和样品生长的实际情况增加或减小。

经过X射线衍射光谱仪(XRD)得到图2数据，在(00l)方向的峰位说明了较好的晶体质量；用角分辨光电子能谱仪系统在28eV光子能量下得到图3数据，可以看到狄拉克点在2.5eV左右的位置；在温度1.5K，脉冲强磁场技术(磁场范围0-60T)的输运测试下得到图4数据，在大于40T时出现了明显震荡。

以上所得的InBi单晶的生长以及结构和性能分析主要使用了如下仪器：

X射线衍射图谱由南京大学现代工学院学院X射线衍射仪给出；角分辨光电子能谱在合肥国家同步辐射实验室测试，强场在武汉国家脉冲强磁场科学中心测试；流量显示仪，北京七星华创电子股份有限公司；电阻真空计，成都正华仪器设备有限公司；机械泵，上海慕泓真空设备有限公司；真空管式炉，安徽贝意克设备技术有限公司。