Особенности роста кристаллов Cd3As2 методом вертикального парогазового транспорта и их свойства

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Методом химических транспортных реакций с использованием вертикального варианта массопереноса выращены игольчатые, ограненные пластинчатые и рекордные по массе (до 25 г) и размерам объемные кристаллы Cd3As2. Расчеты массопереноса и скоростей роста на основе данных по парциальным давлениям паров Cd и As4 использовались для оптимизации эксперимента. Качество кристаллов контролировали с помощью рентгеновского анализа. На монокристаллах выполнены комплексные исследования магнитотранспортных свойств в диапазоне температур 80–300 К и в магнитных полях до 1 Тл. Показано, что синтезированные кристаллы Cd3As2 характеризуются металлическим характером температурной зависимости сопротивления и выраженным линейным вкладом в магнетосопротивление, амплитуда которого достигает 135%/Тл при Т = 80 К. При этом концентрация носителей заряда, определенная из эффекта Холла, оказалась заметно ниже типичных значений для поликристаллов Cd3As2. Линейный характер зависимости сопротивления от магнитного поля и значительная величина амплитуды данного эффекта представляют практический интерес для использования кристаллов Cd3As2 в качестве материалов магнитных сенсоров.

Full Text

Restricted Access

About the authors

Ю. Б. Нечушкин

Национальный исследовательский технологический университет “МИСИС”; Институт общей и неорганической химии им. Н. С. Курнакова Российской академии наук

Author for correspondence.
Email: u.nechushkin@mail.ru
Scopus Author ID: u.nechushkin@mail.ru
Russian Federation, Ленинский пр., 4, Москва, 119049; Ленинский пр., 31, Москва, 119991

А. И. Риль

Институт общей и неорганической химии им. Н. С. Курнакова Российской академии наук

Email: u.nechushkin@mail.ru
Russian Federation, Ленинский пр., 31, Москва, 119991

Л. Н. Овешников

Физический институт им. П. Н. Лебедева Российской академии наук

Email: u.nechushkin@mail.ru
Russian Federation, Ленинский пр., 53, Москва, 119991

А. Б. Давыдов

Физический институт им. П. Н. Лебедева Российской академии наук

Email: u.nechushkin@mail.ru
Russian Federation, Ленинский пр., 53, Москва, 119991

М. Г. Васильев

Институт общей и неорганической химии им. Н. С. Курнакова Российской академии наук

Email: u.nechushkin@mail.ru
Russian Federation, Ленинский пр., 31, Москва, 119991

С. Ф. Маренкин

Институт общей и неорганической химии им. Н. С. Курнакова Российской академии наук

Email: u.nechushkin@mail.ru
Russian Federation, Ленинский пр., 31, Москва, 119991

References

  1. Ril’ A.I., Marenkin S.F. Cadmium Arsenides: Structure, Synthesis of Bulk and Film Crystals, Magnetic and Electrical Properties (Review) // Russ. J. Inorg. Chem. 2021. V. 66. № 14. P. 2005–2016. https://doi.org/10.1134/S0036023621140059
  2. Turner W., Fischer A., Reese W. Physical Properties of Several II–V Semiconductors // Phys. Rev. 1961. V. 121. № 3. P. 759–767. https://doi.org/10.1103/PhysRev.121.759
  3. Sreedhar A. Electrical Properties of the Solid Solution System Cd3As2+Zn3As2 // IETE J. Res. 2015. P. 268–270. https://doi.org/10.1080/03772063.1963.11486457
  4. Yu W., Rademacher D., Valdez N., Rodriguez M., Nenoff T., Pan W. Evidence of decoupling of surface and bulk states in Dirac semimetal Cd3As2 // Nanotechnology. 2022. V. 33. № 41. P. 415002. https://doi.org/10.1088/1361-6528/ac7c25
  5. Шелкачев Н.М., Яржемский В.Г. Влияние кристаллической структуры и примесей 3d-элементов на электронное строение топологического материала Cd3As2 // Неорган. материалы. 2018. Т. 54. № 11. С. 1157–1162. https://doi.org/10.1134/S0002337X18110118
  6. Wang Z., Weng H., Wu Q., Dai X., Fang Z. Three-dimensional Dirac semimetal and quantum transport in Cd3As2 // Phys. Rev. B. 2013. V. 88. P. 125427. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.88.125427
  7. Yi H., Wang Z., Chen C., Shi Y., Feng Y., Liang A., Xie Z., He S., He J., Peng Y., Liu X., Liu Y., Zhao L., Liu G., Dong X., Zhang J., Nakatake M., Arita M., Shimada K., Namatame H., Taniguchi M., Xu Z., Chen C., Dai X., Fang Z., Zhou X. Evidence of Topological Surface State in Three-Dimensional Dirac Semimetal Cd3As2 // Sci. Rep. 2014. V. 4. P. 6106. https://doi.org/10.1038/srep06106
  8. Crassee I., Sankar R., Lee W., Akrap A., Orlita M. 3D Dirac semimetal Cd3As2: A review of material properties // Phys. Rev. Mater. 2018. V. 2. № 12. P. 120302. https://doi.org/10.1103/physrevmaterials.2.120302
  9. Liang T., Gibson Q., Ali M., Liu M., Cava R., Ong N. Ultrahigh mobility and giant magnetoresistance in the Dirac semimetal Cd3As2 // Nat. Mater. 2014. V. 14. № 3. P. 280–284. https://doi.org/10.1038/nmat4143
  10. Oveshnikov L.N., Davydov A.B., Suslov A.V., Ril A.I., Marenkin S.F., Vasiliev A.L., Aronzon B.A. Superconductivity and Shubnikov– de Haas effect in polycrystalline Cd3As2 thin films // Sci. Rep. 2020. V. 10. № 1. P. 4601. https://doi.org/10.1038/s41598-020-61376-6
  11. Saypulaeva L.A., Gadzhialiev M.M., Alibekov A.G., Melnikova N.V., Zakhvalinskii V.S., Ril’ A.I., Marenkin S.F., Efendieva T.N., Fedorchenko I.V., Mollaev A.Yu. Effect of Hydrostatic Pressures of up to 9 GPa on the Galvanomagnetic Properties of Cd3As2–MnAs (20 mol% MnAs) Alloy in a Transverse Magnetic Field // Inorg. Mater. 2019. V. 55. P. 873–878. https://doi.org/10.1134/S0020168519090152
  12. Kochura A.V., Zakhvalinskii V.S., Htet A.Z., Ril’ A.I., Pilyuk E.A., Kuz’menko A.P., Aronzon B.A., Marenkin S.F. Growth of Thin Cadmium Arsenide Films by Magnetron Sputtering and Their Structure // Inorg. Mater. 2019. V. 55. P. 879–886. https://doi.org/10.1134/S002016851909005X
  13. Shoron O.F., Kealhofer D.A., Goyal M., Schumann T., Burkov A.A., Stemmer S. Detecting topological phase transitions in cadmium arsenide films via the transverse magnetoresistance // Appl. Phys. Lett. 2021. V. 119. P. 171907. https://doi.org/10.1063/5.0066252
  14. Kulatov E., Uspenskii Y., Oveshnikov L., Mekhiya A., Davydov A., Ril A., Marenkin S., Aronzon B. Electronic, magnetic and magnetotransport properties of Mn-doped Dirac semimetal Cd3As2 // Acta Mater. 2021. V. 219. P. 117249. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117249
  15. Conte A.M. Electronic and optical properties of topological semimetal Cd3As2 // Sci. Rep. 2017. V. 7. P. 45500. https://doi.org/10.1038/srep45500
  16. Zhou R., Ullah K., Hussain N., Fadhali M.M., Yang S., Lin Q., Zubair M., Iqbal M.F. Recent advances in photonics of three-dimensional Dirac semimetal Cd3As2 // Adv. Photonics Nexus. 2022. V. 1. P. 024001. https://doi.org/10.1117/1.APN.1.2.024001
  17. Lovett D. The growth and electrical properties of single crystal Cd3As2 platelets // J. Mater. Sci. 1972. V. 7. P. 388–392. https://doi.org/10.1007/BF00553761
  18. 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: Condens. Matter. 2015. V. 92. № 8. P. 081306(R). https://doi.org/10.1103/physrevb.92.081306
  19. Маренкин С.Ф., Трухан В.М. Фосфиды, арсениды цинка и кадмия. Минск: Вараскин А.Н., 2010. 224 с.
  20. Sierański K., Szatkowski J., Misiewicz J. Semiempirical tight-binding band structure of II3V2 // Phys. Rev. B: Condens. Matter. 1994. V. 50. № 11. P. 7331–7337. https://doi.org/10.1103/physrevb.50.7331
  21. Sexer N. Sur quelques propriétés de Cd3As2 // J. Phys. Radium. 1961. V. 22. № 12. P. 807–810. https://doi.org/10.1051/jphysrad:0196100220 12080700
  22. Rosenman I. Effet Shubnikov de Haas dans Cd3As2: Forme de la surface de Fermi et modèle non parabolique de la bande de conduction // J. Phys. Chem. Solids. 1969. V. 30. № 6. P. 1385–1402. https://doi.org/10.1016/0022-3697(69)90200-5
  23. Kochura A.V., Oveshnikov L.N., Kuzmenko A.P., Davydov A.B., Gavrilkin S.Yu., Zakhvalinskii V.S., Kulbachinskii V.A., Khokhlov N.A., Aronzon B.A. Vapor-Phase Synthesis and Magnetoresistance of (Cd0.993Zn0.007)3As2 Single Crystals // JETP Lett. 2019. V. 109. № 3. P. 175–179. https://doi.org/10.1134/S0021364019030019
  24. Лазарев В.Б., Шевченко В.Я., Гринберг Я.Х., Соболев В.В. Полупроводниковые соединения группы AIIBV. М.: Наука, 1978. 256 с.
  25. Arushanov E.K. Crystal Growth and Characterization of II3V2 Compounds // Prog. Cryst. Growth Charact. 1981. V. 3. P. 211–255. https://doi.org/10.1016/0146-3535(80)90020-9
  26. Ril’ A.I., Marenkin S.F. Physicochemical Foundations of Modern Materials Science of Cadmium Arsenides (Review) // Russ. J. Inorg. Chem. 2022. V. 67. P. 2113–2126. https://doi.org/10.1134/S0036023622601684
  27. Silvey G., Lyons V., Silvestri V. The preparation and properties of some II–V semiconducting compounds // J. Electrochem. Soc. 1961. V. 108. № 7. P. 653–658. https://doi.org/10.1149/1.2428183
  28. Jayaraman A., Anantharaman T., Klement W. Melting and polymorphism of Zn3As2 and Cd3As2 at high pressures // J. Phys. Chem. Solids. 1966. V. 27. № 10. P. 1605–1609. https://doi.org/10.1016/0022-3697(66)90239-3
  29. Sankar R., Neupane M., Xu S., Butler C., Zeljkovic I., Muthuselvam I., Huang F., Guo S., Karna S., Chu M., Lee W., Lin M., Jayavel R., Madhavan V., Hasan M., Chou F. Large single crystal growth, transport property and spectroscopic characterizations of three-dimensional Dirac semimetal Cd3As2 // Sci. Rep. 2015. V. 5. № 1. P. 12966. https://doi.org/10.1038/srep12966
  30. Калевич Е.С., Маренкин С.Ф., Пономарев В.Ф., Шевченко В.Я. Термическая диссоциация Cd3As2 // Изв. АН СССР. Неорган. материалы. 1978. Т. 14. № 11. С. 1983–1985.
  31. Hrubý A., Petrová J. Preparation of Cd3As2 and CdAs2 crystals by transport reaction in vapour phase // Czech. J. Phys. 1971. V. 21. P. 890–895. https://doi.org/10.1007/BF01725133
  32. Kloc K., Żdanowicz W. Growth and morphology of Zn3P2, Cd3P2 and Cd3As2 crystals // J. Cryst. Growth. 1984. V. 66. № 2. P. 451–458. https://doi.org/10.1016/0022-0248(84)90229-x
  33. Oveshnikov L.N., Ril’ A.I., Mekhiya A.B., Davydov A.B., Marenkin S.F., Aronzon B.A. Low-field linear magnetoresistance and transport parameters of (Cd1–xMnx)3As2 polycrystals // Eur. Phys. J. Plus. 2022. V. 137. P. 374. https://doi.org/10.1140/epjp/s13360-022-02560-7
  34. Oveshnikov L.N., Granovsky A.B., Davydov A.B., Bogach A.V., Kharlamova A.M., Ril’ A.I., Aronzon B.A. Magnetic and magnetotransport properties of MnSb polycrystals near equatomic composition // J. Magn. Magn. Mater. 2022. V. 563. P. 169873. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2022.169873
  35. Oveshnikov L.N., Granovsky A.B., Jaloliddinzoda M., Morgun L.A., Davydov A.B., Gan’shina E.A., Perova N.N., Vasiliev A.L., Ovcharov A.V., Kharlamova A.M., Nekhaeva E.I., Ril’ A.I., Pripechenkov I.M., Kanazakova E.S., Marenkin S.F., Aronzon B.A. Characterization of the quenched GaSb–MnSb composites with high fraction of the ferromagnetic component // J. Magn. Magn. Mater. 2023. V. 565. P. 170242. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2022.170242
  36. Narayanan A., Watson M., Blake S., Bruyant N., Drigo L., Chen Y., Prabhakaran D., Yan B., Felser C., Kong T., Canfield P., Coldea A. Linear magnetoresistance caused by mobility fluctuations in n-doped Cd3As2 // Phys. Rev. Lett. 2015. V. 114. P. 117201. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.114.117201
  37. Singh S., Gopal R., Sarkar J., Pandey A., Patel B., Mitra C. Linear magnetoresistance and surface to bulk coupling in topological insulator thin films // J. Phys.: Condens. Matter. 2017. V. 29. № 50. P. 505601. https://doi.org/10.1088/1361-648X/aa97ba
  38. Zhang H., Li H., Wang H., Cheng G., He H., Wang J. Linear positive and negative magnetoresistance in topological insulator Bi2Se3 flakes // Appl. Phys. Lett. 2018. V. 113. № 11. P. 113503. https://doi.org/10.1063/1.5044686
  39. Parish M., Littlewood P. Non-saturating magnetoresistance in heavily disordered semiconductors // Nature. 2003. V. 426. P. 162–165. https://doi.org/10.1038/nature02073
  40. Parish M., Littlewood P. Classical magnetotransport of inhomogeneous conductors // Phys. Rev. B. 2005. V. 72. P. 094417. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.72.094417
  41. Abrikosov A.A. Quantum magnetoresistance // Phys. Rev. B. 1998. V. 58. P. 2788–2794. https://doi.org/10.1103/physrevb.58.2788
  42. Abrikosov A.A. Quantum linear magnetoresistance // Europhys. Lett. 2000. V. 49. P. 789–793. https://doi.org/10.1209/epl/i2000-00220-2
  43. Kapitza P. The change of electrical conductivity in strong magnetic fields. Part I. – Experimental results // Proc. R. Soc. A, Math., Phys. Eng. Sci. 1929. V. 123. P. 292–341. https://doi.org/10.1098/rspa.1929.0072
  44. Kapitza P. The change of electrical conductivity in strong magnetic fields. Part II. – the analysis and the interpretation of the experimental results // Proc. R. Soc. A, Math., Phys. Eng. Sci. 1929. V. 123. P. 342–372. https://doi.org/10.1098/rspa.1929.0073
  45. Xiao D., Chang M., Niu Q. Berry phase effects on electronic properties // Rev. Mod. Phys. 2010. V. 82. P. 1959–2007. https://doi.org/10.1103/RevModPhys.82.1959
  46. Nandi D., Skinner B., Lee G., Huang K., Shain K., Chang C., Ou Y., Lee S., Ward J., Moodera J., Kim P., Halperin B., Yacoby A. Signatures of long-range-correlated disorder in the magnetotransport of ultrathin topological insulators // Phys. Rev. B. 2018. V. 98. P. 214203. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.98.214203
  47. Morocho A., Pilyuk E., Zakhvalinskii V., Nikulicheva T., Yapryntsev M., Novikov V. AC conductivity of amorphous and polycrystalline Cd3As2 films on single crystal substrates of Al2O3 // Phys. B. 2022. V. 638. P. 413927. https://doi.org/10.1016/j.physb.2022.413927

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Results of Cd3As2 crystal growth rate calculations and comparison with experimental data.

Download (93KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. External appearance (a) and powder X-ray diffraction pattern (b) of the synthesized polycrystalline Cd3As2 ingot.

Download (175KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. External appearance of an acicular crystal with a faceted plane (100), with the growth direction along the c axis (a); X-ray diffraction pattern obtained from the upper face (b).

Download (202KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. External appearance of an acicular-plate crystal (a); X-ray diffraction pattern obtained from the upper face (b).

Download (160KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. External appearance of a plate-faceted single crystal (a); X-ray diffraction pattern obtained from the upper face (b).

Download (164KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. External appearance of a bulk crystal (a); X-ray diffraction pattern obtained from a cross-section (b).

Download (162KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. Temperature dependence of the specific resistance of the crystal synthesized in experiment 4 (a); field dependences of the Hall (b) and longitudinal (c) resistances of the crystal at temperatures of 300 and 80 K (the black dashed-dotted lines show linear approximations of the data, the corresponding parameters are given in Fig. (b) and (c)).

Download (175KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».