Синтез и магнетосопротивление кристаллов (Cd1−x Znx)3As2 (x = 0,007)

Описана процедура синтеза твердых растворов Cd₃As₂—Zn₃As₂ (в дальнейшем, (Cd_1−x Zn_x)₃As₂ из паровой фазы. Синтезированы монокристаллы твердого раствора (Cd_0,993 Zn_0,007)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 (Cd_1−x Zn_x)₃As₂ с низким содержанием цинка. В то же время присутствуют указания на возможные отличия от свойств исходного материала Cd₃As₂.

1. Armitage 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.90.015001

2. He 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.113.246402

3. Feng 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.92.081306

4. Zhang 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/c7ra02847d

5. Li 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.5b00399

6. Galeeva 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.8.17

7. Wang 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.6b04084

8. Walowski J., Munzenberg M. Perspective: Ultrafast magnetism and THz spintronics // J. Appl. Phys. 2016. V. 120, N 14. P. 140901. DOI: 10.1063/1.4958846

9. Arushanov 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)900200-9

10. Володина 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/ S0023476113040231

11. Arushanov 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−T

12. Белогорохов 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.

13. Liang 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/nmat4143

14. Lovett D. R. Semimetals and narrow band semiconductors. London: Pion Limited, 1977. 256 p.

15. 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.

16. 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/s41598−017−03559−2

17. Sankar 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/srep12966

18. Ali 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/ic403163d

19. Schonher P., Hesjedal T. Structural properties and growth mechanism of Cd3As2 nanowires // Appl. Phys. Lett. 2015. V. 106, N 1. P. 013115. DOI: 10.1063/1.4905564

20. Zhang 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/c7ra02847d

21. Cheng 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: 10.1088/1367−2630/18/8/083003

22. Kochura 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/123456789/44550

23. Sharafeev 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.95.235148

24. Abrikosov A. A. Quantum linear magnetoresistance; solution of an old mystery // J. Phys. A: Math. Gen. 2003. V. 36, N 35. P. 9119—9131. DOI: 10.1088/0305−4470/36/35/301

25. Parish M. M., Littlewood P. B. Non−saturating magnetoresistance in heavily disordered semiconductors // Nature. 2003. V. 426, N 6963. P. 162—166. DOI: 10.1038/nature02073

26. Zhao 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.5.031037

27. Narayanan 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.114.117201

28. Li 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/ ncomms10301