mateltechИзвестия высших учебных заведений. Материалы электронной техникиIzvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Materialy Elektronnoi Tekhniki = Materials of Electronics Engineering1609-35772413-6387MISIS10.17073/1609-3577-2017-2-134-141mateltech-311Research ArticleФизические свойства и методы исследованияPHYSICAL CHARACTERISTICS AND THEIR STUDYСинтез и магнетосопротивление кристаллов (Cd1−x Znx)3As2 (x = 0,007)Synthesis and magnetoresistance of (Cd1−x Znx)3As2 (x = 0,007) crystalsКочураА. В.KochuraA. V.

канд. физ.−мат. наук, заместитель директора

Cand. Sci. (Phys.−Math.), Deputy Director

akochura@gmail.comОвешниковЛ. Н.OveshnikovL. N.

канд. физ.−мат. наук, инженер−исследователь

Cand. Sci. (Phys.−Math.), Research Engineer

Oveshln@gmail.comКнязевА. Ф.KnjazevA. F.

канд. физ.−мат. наук

Dr. Sci. (Phys.−Math.)

tol46@mail.ruКузьменкоА. П.KuzmenkoA. P.

доктор физ.−мат. наук, директор

Dr. Sci. (Phys.−Math.), Director

apk3527@mail.ruДавыдовА. Б.DavydovA. B.

канд. физ.−мат. наук, старший научный сотрудник

Cand. Sci. (Phys.−Math.), Senior Researcher

sanyadav@yandex.ruГаврилкинС. Ю.GavrilkinS. Yu.

научный сотрудник

Researcher

gavrs@lebedev.ruПилюкЕ. А.PilyukE. A.

канд. физ.−мат. наук, доцент

Cand. Sci. (Phys.−Math.), Associate Professor

pilyuk@yandex.ruЗахвалинскийВ. С.ZakhvalinskiiV. S.

доктор физ.−мат. наук, профессор

Dr. Sci. (Phys.−Math.), Professor

v_zaxval@mail.ruКульбачинскийВ. А.KulbachinskiiV. A.

доктор физ.−мат. наук, начальник отдела

Dr. Sci. (Phys.−Math.), Head of Department

kulb@mig.phys.msu.ruАронзонБ. А.AronzonB. A.

доктор физ.−мат. наук, главный научный сотрудник

Dr. Sci. (Phys.−Math.), Chief Researcher

aronzon@mail.ruЮго−Западный государственный университетРоссияSouth−West State UniversityRussian FederationНациональный исследовательский центр «Курчатовский институт»; Физический институт им. П. Н. Лебедева РАНРоссияNational Research Centre «Kurchatov Institute»; P. N. Lebedev Physical Institute, Russian Academy of SciencesRussian FederationКурский монтажный техникумРоссияKursk Construction CollegeRussian FederationЮго−Западный государственный университетRussian FederationФизический институт им. П. Н. Лебедева РАНРоссияP. N. Lebedev Physical Institute, Russian Academy of SciencesRussian FederationБелгородский национальный исследовательский университетРоссияState University of BelgorodRussian FederationНациональный исследовательский центр «Курчатовский институт»; Московский государственный университет имени М. В. ЛомоносоваРоссияNational Research Centre «Kurchatov Institute»; M.V. Lomonosov Moscow State UniversityRussian Federation201717062019202134141Copyright © Кочура А.В., Овешников Л.Н., Князев А.Ф., Кузьменко А.П., Давыдов А.Б., Гаврилкин С.Ю., Пилюк Е.А., Захвалинский В.С., Кульбачинский В.А., Аронзон Б.А., 20192019Кочура А.В., Овешников Л.Н., Князев А.Ф., Кузьменко А.П., Давыдов А.Б., Гаврилкин С.Ю., Пилюк Е.А., Захвалинский В.С., Кульбачинский В.А., Аронзон Б.А.Kochura A.V., Oveshnikov L.N., Knjazev A.F., Kuzmenko A.P., Davydov A.B., Gavrilkin S.Y., Pilyuk E.A., Zakhvalinskii V.S., Kulbachinskii V.A., Aronzon B.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://met.misis.ru/jour/article/view/311

Описана процедура синтеза твердых растворов Cd3As2—Zn3As2 (в дальнейшем, (Cd1−x Znx)3As2 из паровой фазы. Синтезированы монокристаллы твердого раствора (Cd0,993 Zn0,007)3As2. Результаты сканирующей электронной микроскопии и дифракции электронов свидетельствуют о высоком кристаллическом совершенстве изученного образца. Исследована его структура и морфология поверхности, содержащей ростовые зародыши и плоскости скола. В области низких температур выявлены гигантское анизотропное магнетосопротивление, а также осцилляции Шубникова—де Гааза. Полученные результаты указывают на сохранение особенностей фазы дираковского полуметалла для твердого раствора (Cd1−x Znx)3As2 с низким содержанием цинка. В то же время присутствуют указания на возможные отличия от свойств исходного материала Cd3As2.

The vapor phase growth of Cd3As2—Zn3As2 (in the following (Cd1−x Znx)3As2 solid solutions process is described. The (Cd0,993 Zn0,007)3As2 solid solution single crystals were synthesized. Scanning electron microscopy and electron diffraction data suggest high crystalline quality of studied sample. Its structure and surface morphology, indicating the presence of growth nuclei and cleavage planes, were investigated. Giant anisotropic magnetoresistance and Shubnikov — de Haas oscillations were observed at low temperatures. Obtained results suggests that peculiarities of Dirac semimetal phase persist in (Cd1−x Znx)3As2 solid solution at low zinc content. At the same time, there are indications of some differences with initial Cd3As2 properties.

арсенид кадмияарсенид цинкатвердый растворсинтез из паровой фазыдираковский полуметалланизотропное магнетосопротивлениеэффект Шубникова—де Газаcadmium arsenidezinc arsenidesolid solutionvapor phase synthesisDirac semimetalanisotropic magnetoresistanceShubnikov—de Haas effectРабота была поддержана Российским научным фондом (грант № 17−12−01345). А. П. Кузьменко благодарит Министерство образования и науки РФ за поддержку исследований комбинационного рассеяния света (грант № 16.2814.2017/ПЧ).The work was supported by the Russian Science Foundation (Grant No. 17-12-01345). A. P. Kuzmenko thanks the Ministry of Education and Science of the Russian Federation for supporting the research of Raman scattering (Grant No. 16.2814.2017/PC).ReferencesArmitage N. P., Mele E. J., Vishwanath A. Weyl and Dirac semimetals in three dimensional solids // Rev. Mod. Phys. 2018. V. 90, Iss. 1. P. 015001. DOI: 10.1103/RevModPhys.90.015001Armitage N. P., Mele E. J., Vishwanath A. Weyl and Dirac semimetals in three dimensional solids. Rev. Mod. Phys., 2018, vol. 90, no. 1, p. 015001. DOI: 10.1103/RevModPhys.90.015001He L. P., Hong X. C., Dong J. K., Pan J., Zhang Z., Zhang J., Li S. Y. Quantum transport evidence for three−dimensional Dirac semimetal phase in Cd3As2// Phys. Rev. Lett. 2014. V. 113, N 24. P. 246402. DOI: 10.1103/PhysRevLett.113.246402He L. P., Hong X. C., Dong J. K., Pan J., Zhang Z., Zhang J., Li S. Y. Quantum transport evidence for three−dimensional Dirac semimetal phase in Cd3As2. Phys. Rev. Lett., 2014, vol. 113, no. 24, p. 246402. DOI: 10.1103/PhysRevLett.113.246402Feng J., Pang Y., Wu D., Wang Z., Weng H., Li J., Dai X., Fang Z., Shi Y., Lu L. Large linear magnetoresistance in Dirac semimetal Cd3As2 with Fermi surfaces close to the Dirac points // Phys. Rev. B. 2015. V. 92, Iss. 8. P. 081306(R). DOI: 10.1103/PhysRevB.92.081306Feng J., Pang Y., Wu D., Wang Z., Weng H., Li J., Dai X., Fang Z., Shi Y., Lu L. Large linear magnetoresistance in Dirac semimetal Cd3As2 with Fermi surfaces close to the Dirac points. Phys. Rev. B, 2015. vol. 92. no. 8, p. 081306(R). DOI: 10.1103/PhysRevB.92.081306Zhang K., Pan H., Zhang M., Wei Z., Gao M., Song F., Wang X., Zhang R. Controllable synthesis and magnetotransport properties of Cd3As2 Dirac semimetal nanostructures // RSC Advances. 2017. V. 7, N 29. P. 17689—17696. DOI: 10.1039/c7ra02847dZhang K., Pan H., Zhang M., Wei Z., Gao M., Song F., Wang X., Zhang R. Controllable synthesis and magnetotransport properties of Cd3As2 Dirac semimetal nanostructures. RSC Advances, 2017, vol. 7, no. 29, pp. 17689—17696. DOI: 10.1039/c7ra02847dLi C.−Z., Zhu R., Ke X., Zhang J.−M., Wang L. X., Zhang L., Liao Z.−M., Yu D.−P. Synthesis and photovoltaic properties of Cd3As2 faceted nanoplates and nano−octahedrons // Cryst. Growth Design. 2015. V. 15, N 7. P. 3264—3270. DOI: 10.1021/acs.cgd.5b00399Li C.−Z., Zhu R., Ke X., Zhang J.−M., Wang L. X., Zhang L., Liao Z.−M., Yu D.−P. Synthesis and photovoltaic properties of Cd3As2 faceted nanoplates and nano−octahedrons. Cryst. Growth Design, 2015, vol. 15, no. 7, pp. 3264—3270. DOI: 10.1021/acs.cgd.5b00399Galeeva A. V., Krylov I. V., Drozdov K. A., Knjazev A. F., Kochura A. V., Kuzmenko A. P., Zakhvalinskii V. S., Danilov S. N., Ryabova L. I., Khokhlov D. R. Electron energy relaxation under terahertz excitation in (Cd1−x Znx)3As2 Dirac semimetals // Belstein J. Nanotechnology. 2017. V. 8, N 1. P. 167—171. DOI: 10.3762/bjnano.8.17Galeeva A. V., Krylov I. V., Drozdov K. A., Knjazev A. F., Kochura A. V., Kuzmenko A. P., Zakhvalinskii V. S., Danilov S. N., Ryabova L. I., Khokhlov D. R. Electron energy relaxation under terahertz excitation in (Cd1−xZnx)3As2 Dirac semimetals. Belstein J. Nanotechnology, 2017, vol. 8, no. 1, pp. 167—171. DOI: 10.3762/ bjnano.8.17Wang Q., Li C.−Z., Ge S., Li J.−G., Lu W., Lai J., Liu X., Ma J., Yu D.−P., Liao Z.−M., Sun D. Ultrafast broadband photodetectors based on three−dimensional Dirac semimetal Cd3As2 // Nano Lett. 2017. V. 17, N 2. P. 834—841. DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b04084Wang Q., Li C.−Z., Ge S., Li J.−G., Lu W., Lai J., Liu X., Ma J., Yu D.−P., Liao Z.−M., Sun D. Ultrafast broadband photodetectors based on three−dimensional Dirac semimetal Cd3As2. Nano Letters, 2017, vol. 17, no. 2, pp. 834—841. DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b04084Walowski J., Munzenberg M. Perspective: Ultrafast magnetism and THz spintronics // J. Appl. Phys. 2016. V. 120, N 14. P. 140901. DOI: 10.1063/1.4958846Walowski J., Munzenberg M. Perspective: Ultrafast magnetism and THz spintronics. J. Appl. Phys., 2016, vol. 120, no. 14, p. 140901. DOI: 10.1063/1.4958846Arushanov E. K. Crystal growth and characterization of II3V2 compounds // Prog. Crystal. Growth. Charact. 1981. V. 3, N 2–3. P. 211—255. DOI: 10.1016/0146-3535(80)900200-9Arushanov E. K. Crystal growth and characterization of II3V2 compounds. Prog. Crystal. Growth. Charact., 1981, vol. 3, no. 2–3, pp. 211—255. DOI: 10.1016/0146−3535(80)90020−9Володина Г. Ф., Захвалинский В. С., Кравцов В. Х. Кристаллическая структура α′′′−(Zn1−xCdx)3As2 (x = 0.26) // Кристаллография. 2013. Т. 58, № 4. С. 561—565. DOI: 10.7868/ S0023476113040231Volodina G. F., Zakhvalinskii V. S., Kravtsov V. Kh. Crystal structure of α′′′−(Zn1−xCdx)3As2 (x = 0.26). Crystallography Reports, 2013, vol. 58, no. 4, pp. 563—567. DOI: 10.1134/S1063774513040226Arushanov E. K. II3V2 Compounds and Alloys// Prog. Crystal. Growth. Charact. 1992. V. 25, N 3. P. 131—201. DOI: 10.1016/0960− 8974(92)90030−TArushanov E. K. II3V2 compounds and alloys. Prog. Crystal. Growth. Charact., 1992, vol. 25, no. 3, pp. 131—201. DOI: 10.1016/0960− 8974(92)90030−TБелогорохов А. И., Захаров И. С., Князев А. Ф., Кочура А. В. Фотоэлектрические явления в кристаллах Cd1,23Zn1,77As2, легированных селеном // Неорганические материалы. 2000. Т. 36, № 7. С. 788—791.Belogorokhov A. I., Zakharov I. S., Knyazev A. F., Kochura A. V. Photoelectric properties of Se−doped Cd1.23Zn1.77As2 crystals. Inorganic Materials, 2000, vol. 36, no. 7, pp. 653—656. DOI: 10.1007/ BF02758414Liang T., Gibson Q., Ali M. N., Liu M., Cava R. J., Ong N. P. Ultrahigh mobility and giant magnetoresistance in the Dirac semimetal Cd3As2 // Nature Materials. 2015. V. 14, N 3. P. 280—284. DOI: 10.1038/nmat4143Liang T., Gibson Q., Ali M. N., Liu M., Cava R. J., Ong N. P. Ultrahigh mobility and giant magnetoresistance in the Dirac semimetal Cd3As2. Nature Materials, 2015, vol. 14, no. 3, pp. 280—284. DOI: 10.1038/nmat4143Lovett D. R. Semimetals and narrow band semiconductors. London: Pion Limited, 1977. 256 p.Lovett D. R. Semimetals and narrow band semiconductors. London: Pion Limited, 1977. 256 p.Арушанов Э. К., Князев А. Ф., Натепров А. Н., Радауцан С. И. Зависимость ширины запрещенной зоны Cd3−x ZnxAs2 от состава // ФТП. 1983. Т. 17, № 7. С. 1202—1204.Arushanov E. K., Knyazev A. F., Nateprov A. N., Radautsan S. I. Energy gap dependence of Cd3−xZnxAs2 on composition. Semiconductors, 1983, vol. 17, no. 7, pp. 759—761.Lu H., Zhang X., Bian Y., Jia S. Topological phase transition in single crystals of (Cd1−x Znx)3As2 // Scientific Reports. 2017. V. 7, N 1. P. 3148. DOI: 10.1038/s41598−017−03559−2Lu H., Zhang X., Bian Y., Jia S. Topological Phase Transition in Single Crystals of (Cd1−xZnx)3As2. Scientific Reports, 2017, vol. 7, no. 1, p. 3148. DOI: 10.1038/s41598−017−03559−2Sankar R., Neupane N., Xu S.−Y., Butler C. J., Zeljkovic I., Muthuselvam I. P., Huang F.−T., Guo S.−T., Karna S. K., Chu M.−W., Lee W.L., Lin M.−T., Jayavel R., Madhavan V., Hasan M. Z., Chou F. C. Large single crystal growth, transport property, and spectroscopic characterization of three−dimensional Dirac semimetal Cd3As2 // Scientific Reports. 2015. V. 5. P. 12966. DOI: 10.1038/srep12966Sankar R., Neupane N., Xu S.−Y., Butler C. J., Zeljkovic I., Muthuselvam I. P., Huang F.−T., Guo S.−T., Karna S. K., Chu M.−W., Lee W.L., Lin M.−T., Jayavel R., Madhavan V., Hasan M. Z., Chou F. C. Large single crystal growth, transport property, and spectroscopic characterization of three−dimensional Dirac semimetal Cd3As2. Scientific Reports, 2015, vol. 5, p. 12966. DOI: 10.1038/srep12966Ali M. N., Gibson Q., Jeon S., Zhou B. B., Yazdani A., Cava R. J. The crystal and electronic structures of Cd3As2, the three− dimensional electronic analogue of graphene // Inorganic Chemistry. 2014. V. 53. P. 4062—4067. DOI: 10.1021/ic403163dAli M. N., Gibson Q., Jeon S., Zhou B. B., Yazdani A., Cava R. J. The crystal and electronic structures of Cd3As2, the three− dimensional electronic analogue of grapheme. Inorganic Chemistry, 2014. vol. 53, pp. 4062—4067. DOI: 10.1021/ic403163dSchonher P., Hesjedal T. Structural properties and growth mechanism of Cd3As2 nanowires // Appl. Phys. Lett. 2015. V. 106, N 1. P. 013115. DOI: 10.1063/1.4905564Schonher P., Hesjedal T. Structural properties and growth mechanism of Cd3As2 nanowires. Appl. Phys. Lett., 2015, vol. 106, no. 1, p. 013115. DOI: 10.1063/1.4905564Zhang K., Pan H., Zhang M., Wei Z., Gao M., Song F., Wang X., Zhang R. Controllable synthesis and magnetotransport properties of Cd3As2 Dirac semimetal nanostructures // RSC Advances. 2017. V. 7, N 29. P. 17689—17696. DOI: 10.1039/c7ra02847dZhang K., Pan H., Zhang M., Wei Z., Gao M., Song F., Wang X., Zhang R. Controllable synthesis and magnetotransport properties of Cd3As2 Dirac semimetal nanostructures. RSC Advances, 2017, vol. 7, no. 29, pp. 17689—17696. DOI: 10.1039/c7ra02847dCheng P., Zhang C., Liu Y., Yuan X., Song F., Sun Q., Zhou P., Zhang D. W., Xiu F. Thickness−dependent quantum oscillations in Cd3As2 thin films // New J. Phys. 2016. V. 18, N 8. P. 083003. DOI: 10.1088/1367−2630/18/8/083003Cheng P., Zhang C., Liu Y., Yuan X., Song F., Sun Q., Zhou P., Zhang D. W., Xiu F. Thickness−dependent quantum oscillations in Cd3As2 thin films. New J. Phys, 2016, vol. 18, no. 8, p. 083003. DOI: 10.1088/1367−2630/18/8/083003Kochura A. V., Marenkin S. F., Ril A. I., Zheludkevich A. L., Abakumov P. V., Knjazev A. F., Dobromyslov M. B. Growth and characterization of Cd3As2 + MnAs composite // J. Nano− and Electron. Phys. 2015. V. 7, N 4. P. 04079. URL: http://essuir.sumdu.edu.ua/ handle/123456789/44550Kochura A. V., Marenkin S. F., Ril A. I., Zheludkevich A. L., Abakumov P. V., Knjazev A. F., Dobromyslov M. B. Growth and characterization of Cd3As2 + MnAs composite. J. Nano− and Electron. Phys., 2015, vol. 7, no. 4, p. 04079. URL: http://essuir.sumdu.edu.ua/ handle/123456789/44550Sharafeev A., Gnezdilov V., Sankar R., Chou F. C., Lemmens P. Optical phonon dynamics and electronic fluctuations in the Dirac semimetal Cd3As2 // Phys. Rev. B. 2017. V. 95, N 23. P. 235148. DOI: 10.1103/PhysRevB.95.235148Sharafeev A., Gnezdilov V., Sankar R., Chou F.C., Lemmens P. Optical phonon dynamics and electronic fluctuations in the Dirac semimetal Cd3As2. Phys. Rev. B, 2017, vol. 95, no. 23, p. 235148. DOI: 10.1103/PhysRevB.95.235148Abrikosov A. A. Quantum linear magnetoresistance; solution of an old mystery // J. Phys. A: Math. Gen. 2003. V. 36, N 35. P. 9119—9131. DOI: 10.1088/0305−4470/36/35/301Abrikosov A. A. Quantum linear magnetoresistance; solution of an old mystery. J. Phys. A: Math. Gen., 2003, vol. 36, no. 35, pp. 9119—9131. DOI: 10.1088/0305−4470/36/35/301Parish M. M., Littlewood P. B. Non−saturating magnetoresistance in heavily disordered semiconductors // Nature. 2003. V. 426, N 6963. P. 162—166. DOI: 10.1038/nature02073Parish M. M., Littlewood P. B. Non−saturating magnetoresistance in heavily disordered semiconductors. Nature, 2003, vol. 426, no. 6963, pp. 162—166. DOI: 10.1038/nature02073Zhao Y., Liu H., Zhang C., Wang H., Wang J., Lin Z., Xing Y., Lu H., Liu J., Wang Y., Brombosz S. M., Xiao Z., Jia S., Xie X. C., Wang J. Anisotropic Fermi surface and quantum limit transport in high mobility three−dimensional Dirac semimetal Cd3As2 // Phys. Rev. X. 2015. V. 5, N 3. P. 031037. DOI: 10.1103/PhysRevX.5.031037Zhao Y., Liu H., Zhang C., Wang H., Wang J., Lin Z., Xing Y., Lu H., Liu J., Wang Y., Brombosz S. M., Xiao Z., Jia S., Xie X. C., Wang J. Anisotropic Fermi surface and quantum limit transport in high mobility three−dimensional Dirac semimetal Cd3As2. Phys. Rev. X, 2015, vol. 5, no. 3, p. 031037. DOI: 10.1103/PhysRevX.5.031037Narayanan A., Watson M. D., Blake S. F., Bruyant N., Drigo L., Chen Y. L., Prabhakaran D., Yan B., Felser C., Kong T., Canfield P. C., Coldea A. I. Linear magnetoresistance caused by mobility fluctuations in n−doped Cd3As2 // Phys. Rev. Lett. 2015. V. 114, N 11. P. 117201. DOI: 10.1103/PhysRevLett.114.117201Narayanan A., Watson M. D., Blake S. F., Bruyant N., Drigo L., Chen Y. L., Prabhakaran D., Yan B., Felser C., Kong T., Canfield P. C., Coldea A. I. Linear magnetoresistance caused by mobility fluctuations in n−doped Cd3As2. Phys. Rev. Lett., 2015, vol. 114, no. 11, p. 117201. DOI: 10.1103/PhysRevLett.114.117201Li H., He H., Lu H.−Z., Zhang H., Liu H., Ma R., Fan Z., Shen S.−Q., Wang J. Negative magnetoresistance in Dirac semimetal Cd3As2// Nature Comm. 2016. V. 7. P. 10301. DOI: 10.1038/ ncomms10301Li H., He H., Lu H.−Z., Zhang H., Liu H., Ma R., Fan Z., Shen S.−Q., Wang J. Negative magnetoresistance in Dirac semimetal Cd3As2. Nature Comm., 2016, vol. 7, p. 10301. DOI: 10.1038/ ncomms10301

The authors declare that there are no conflicts of interest present.