揭示二维Ⅱ型Weyl半金属NbIrTe中的载流子类型转变及异常输运现象

《Nano Energy》：Unveiling carrier-type transition and anomalous transport in 2D type-Ⅱ Weyl semimetal NbIrTe 4

二维拓扑半金属NbIrTe4的少数层中观察到温度驱动的载流子类型转变（ holes→electrons），转变温度为155K，由多能带结构和化学势温度依赖性引起。电导率随厚度减小显著提升，而塞贝克系数保持稳定（300K时12.8μV/K，10K时-9.5μV/K）。DFT计算揭示了多能带耦合和费米能级偏移机制。

　　

余泽豪|张杰|李梅林|林繁荣|刘彦鹏|于鹏|张丽发|李晓|赵云山

江苏省声子工程研究中心，南京师范大学物理与技术学院量子传输与热能科学中心，教育部NSLSCS重点实验室，南京210023，中国

摘要

层状三元型II类Weyl半金属（WSMs）NbIrTe₄因其非线性霍尔效应和压力诱导的超导性而受到广泛关注。此外，它还表现出独特的载流子传输特性，包括极高的迁移率和优异的光响应能力。然而，大多数关于NbIrTe₄传输性质的研究仅限于其块体形态，而对少层样品的系统研究仍然很少。在这里，密度泛函理论（DFT）计算揭示了一种载流子类型的转变，这种转变源于复杂的多带结构以及化学势随温度的变化。实验上，我们也观察到了少层NbIrTe₄中的温度驱动的载流子类型转变：在155 K时，主导载流子从空穴转变为电子，这一点通过电输运、热电（TE）和霍尔效应测量得到了证实。此外，随着厚度的减小，电导率显著增加，而塞贝克系数相对稳定，在300 K时为12.8 μV/K，在10 K时为-9.5 μV/K。这些结果为理解二维型II类WSMs的载流子传输机制提供了重要见解，并为设计和优化其器件应用建立了通用实验框架。

引言

载流子类型的转变是在多种凝聚态系统中观察到的常见物理现象。通常，这种转变源于几种不同的机制，包括块体材料中的外来掺杂或合金化[1]、[2]、[3]、[4]，双极型二维半导体中的栅极诱导静电掺杂[5]、[6]、[7]，半金属中电子和空穴的共存[8]，以及与次级能隙打开或电荷密度波（CDW）态相关的能带杂化[9]、[10]、[11]、[12]、[13]。在这些机制中，外来掺杂或合金化引入了改变宿主材料微观结构或电子结构的杂质，从而可以可控地调节载流子类型[1]、[4]。相比之下，栅极诱导的调制通过外部电场调整费米能级，而不改变材料的本征电子结构或晶格结构[6]。对于半金属而言，电子和空穴能带的重叠导致两种载流子类型的共同作用。例如，半金属铋的载流子类型对样品尺寸非常敏感[8]。此外，次级能隙打开或CDW相的形成也会导致电子-空穴混合传输[9]、[10]、[11]、[12]、[13]。然而，在所有上述机制中，尤其是在传统金属中，固定外部条件下的载流子类型通常对温度保持稳定。在半导体中，载流子类型的变化可能是由于费米能级的移动或载流子的激发。因此，本征的温度诱导载流子类型转变在二维材料中很少被报道。在块体补偿半导体和拓扑半金属中观察到了几种温度驱动的载流子类型转变[14]、[15]、[16]。此外，这种温度驱动的转变通常对应于拓扑量子材料中的Lifshitz转变[15]。尽管如此，这种温度驱动的转变对于下一代二维电子和热电（TE）器件的功能设计具有巨大潜力[17]、[18]。因此，识别出具有本征温度诱导载流子类型转变的新二维系统具有重要的科学和技术意义。

II类Weyl半金属（WSMs）是一类具有电子和空穴能带重叠的迷人量子材料[19]，由于其丰富的物理性质和拓扑特性而受到广泛关注。这些材料为探索温度诱导的载流子类型转变提供了理想的二维平台。通常，WSMs破坏了时间反演对称性或空间反演对称性，在费米能级附近产生线性能带交叉，称为Weyl节点，其中存在具有明确手性的“相对论性”无质量Weyl费米子[19]、[20]、[21]、[22]。常规带电载流子和“相对论性”无质量载流子的同时存在导致了极高的载流子迁移率，使WSMs具有优异的载流子传输特性[23]。在WSMs家族中，II型WSMs表现出强烈的Weyl锥体倾斜，其中线性能带交叉发生扭曲，使得Weyl锥体出现在电子和空穴能带之间的边界，从而破坏了洛伦兹不变性[19]。这种独特的能带结构导致了多种奇异现象的观察，包括新发现的II型WSMs、拓扑超导体、量子Shubnikov-de Haas振荡、双量子自旋霍尔效应和非线性霍尔效应（NLHE）[23]、[24]、[25]、[26]、[27]、[28]、[29]、[30]、[31]。代表性样品包括2D WTe₂、MoTe₂、TaIrTe₄和NbIrTe₄，这些材料都已被理论预测并通过实验确认为II型WSMs，并表现出多种新颖的传输和拓扑行为[20]、[25]、[28]、[30]、[31]、[32]、[33]。值得注意的是，这些材料中的Weyl点对外部扰动具有很强的抵抗力，并且在平移对称性下保持不变，这使它们在器件应用中特别有前景[20]。尽管二维II型WSMs在揭示温度依赖的载流子类型转变机制方面具有巨大潜力，但系统研究仍然很少，其背后的载流子传输行为仍不甚明了。这一差距突显了进一步探索二维II型WSMs以阐明其温度驱动的电子响应和传输现象的必要性。

在这项工作中，我们通过电输运测量、霍尔效应分析、热电特性表征和密度泛函理论（DFT）计算，报告了少层NbIrTe₄中的温度驱动载流子类型转变。在155 K附近观察到从空穴主导导电向电子主导导电的明显转变，这归因于NbIrTe₄多带结构中化学势的温度依赖性变化。随着厚度的减小，其电导率显著提高，而塞贝克系数的厚度依赖性非常弱，在300 K时为12.8 μV/K，在10 K时为-9.5 μV/K。这些结果为理解二维II型WSMs的载流子传输机制提供了宝贵见解，并为基于拓扑量子材料的未来器件设计和应用奠定了坚实的基础。

结果与讨论

块体NbIrTe₄以正交晶系结构结晶，空间群对称性为Pmn₁（a=3.77 ?, b=12.51 ?, c=13.12 ?）[34]，如图1(a)所示。这种层状、非磁性的金属相通过范德华相互作用稳定，与其他二维材料类似，并通过自磁通法合成，具体方法在实验部分有描述。基于这种结构，可以使用传统的“透明胶带”方法从块体晶体中机械剥离出少层NbIrTe₄

结论

总之，我们对少层NbIrTe₄中的载流子传输机制进行了全面研究。通过电输运特性、热电测量和霍尔效应分析，我们确认了在155 K时发生的从空穴到电子的显著温度诱导载流子类型转变。这种行为归因于电子和空穴能带之间的重叠以及化学势的温度诱导变化。此外，我们的结果还显示了...

NbIrTe₄块体晶体的合成

NbIrTe₄单晶是通过使用元素Nb粉末（99.99%）、Ir粉末（99.999%）和Te块（99.999%）以1:1:12的原子比例通过自磁通法合成的。将化学计量混合物装入石英管中，然后在10^-6 Torr的高真空下密封。然后将石英管加热到1323 K并保持7天，再缓慢冷却至室温15天以确保反应完全进行。随后，样品被转移到另一个真空环境中

CRediT作者贡献声明

张丽发：方法论。 李晓：写作 – 审稿与编辑，监督。 刘彦鹏：方法论。 于鹏：方法论。 李梅林：方法论。 林繁荣：方法论。 张杰：方法论，数据管理。 余泽豪：写作 – 原稿撰写，方法论，数据管理。 赵云山：写作 – 审稿与编辑，监督，概念化。

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：赵云山报告称获得了国家自然科学基金的支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了中国科学技术部国家重点研发计划（2024YFA1207900）、国家自然科学基金（项目编号12574052）和江苏省科学技术厅（项目编号BK20220032）的支持。Z.Y.S.获得了教育部智能纳米材料与器件重点实验室开放基金NJ2023002（INMD-2023M07）的支持。Y.Z.H.获得了研究生的支持