The Hall Effect in Single Crystals of Topological Semimetals WTe2 and MoTe2

Cover Page

Cite item

Full Text

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

Abstract

The Hall effect in single crystals of topological semimetals WTe2 and MoTe2 is studied in the temperature range from 2 to 100 K and in magnetic fields up to 9 T. It is established that the Hall resistivity of WTe2 shows a nonlinearly dependence on the magnetic field at temperatures below 100 K. At the same time, the Hall resistivity of MoTe2 depends linearly with the magnetic field at temperatures range from 2 to 25 K and a nonlinear contribution appears at 50 K. Along with the known mechanism of compensation/decompensation of electron and hole charge carriers, the nonlinear dependence of the Hall resistivity of WTe2 and MoTe2 single crystals on the magnetic field is associated with the scattering of charge carriers on the surface.

Full Text

Restricted Access

About the authors

A. N. Perevalova

M.N. Mikheev Institute of Metal Physics of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: domozhirova@imp.uran.ru
Russian Federation, Ekaterinburg

S. V. Naumov

M.N. Mikheev Institute of Metal Physics of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: domozhirova@imp.uran.ru
Russian Federation, Ekaterinburg

B. M. Fominykh

M.N. Mikheev Institute of Metal Physics of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences; Ural Federal University

Email: domozhirova@imp.uran.ru
Russian Federation, Ekaterinburg; Ekaterinburg

E. B. Marchenkova

M.N. Mikheev Institute of Metal Physics of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: domozhirova@imp.uran.ru
Russian Federation, Ekaterinburg

S. H. Liang

Hubei University

Email: domozhirova@imp.uran.ru
China, Wuhan

V. V. Marchenkov

M.N. Mikheev Institute of Metal Physics of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences; Ural Federal University

Email: march@imp.uran.ru
Russian Federation, Ekaterinburg; Ekaterinburg

References

  1. Hasan M.Z., Kane C.L. Colloquium: Topological insulators // Rev. Mod. Phys. 2010. V. 82. P. 3045–3067.
  2. Armitage N.P., Mele E.J., Vishwanath A. Weyl and Dirac semimetals in three-dimensional solids // Rev. Mod. Phys. 2018. V. 90. P. 015001.
  3. Vergniory M.G., Elcoro L., Felser C., Regnault N., Bernevig B.A., Wang Z. A complete catalogue of high-quality topological materials // Nature. 2019. V. 566. P. 480–485.
  4. Xu S.-Y., Belopolski I., Alidoust N., Neupane M., Bian G., Zhang C., Sankar R., Chang G., Yuan Z., Lee C.-C., Huang S.-M., Zheng H., Ma J., Sanchez D.S., Wang B., Bansil A., Chou F., Shibayev P.P., Lin H., Jia S., Hasan M.Z. Discovery of a Weyl fermion semimetal and topological Fermi arcs // Science. 2015. V. 349. P. 613–617.
  5. Soluyanov A.A., Gresch D., Wang Z., Wu Q., Troyer M., Dai X., Bernevig B.A. Type-II Weyl semimetals // Nature. 2015. V. 527. P. 495–498.
  6. Sun Y., Wu S.-C., Ali M.N., Felser C., Yan B. Prediction of Weyl semimetal in orthorhombic MoTe2 // Phys. Rev. B. 2015. V. 92. P. 161107(R).
  7. Huang L., McCormick T.M., Ochi M., Zhao Z., Suzuki M.-T., Arita R., Wu Y., Mou D., Cao H., Yan J., Trivedi N., Kaminski A. Spectroscopic evidence for a type II Weyl semimetallic state in MoTe2 // Nat. Mater. 2016. V. 15. P. 1155–1160.
  8. Ali M.N., Xiong J., Flynn S., Tao J., Gibson Q.D., Schoop L.M., Liang T., Haldolaarachchige N., Hirschberger M., Ong N.P., Cava R.J. Large, non-saturating magnetoresistance in WTe2 // Nature. 2014. V. 514. P. 205–208.
  9. Keum D.H., Cho S., Kim J.H., Choe D.-H., Sung H.-J., Kan M., Kang H., Hwang J.-Y., Kim S.W., Yang H., Chang K. J., Lee Y.H. Bandgap opening in few-layered monoclinic MoTe2 // Nat. Phys. 2015. V. 11. P. 482–486.
  10. Zhou Q., Rhodes D., Zhang Q.R., Tang S., Schonemann R., Balicas L. Hall effect within the colossal magnetoresistive semimetallic state of MoTe2 // Phys. Rev. B. 2016. V. 94. P. 121101(R).
  11. Li P., Wen Y., He X., Zhang Q., Xia C., Yu Z.-M., Yang S.A., Zhu Z., Alshareef H.N., Zhang X.-X. Evidence for topological type-II Weyl semimetal WTe2 // Nat. Commun. 2017. V. 8. P. 2150.
  12. Luo Y., Li H., Dai Y.M., Miao H., Shi Y.G., Ding H., Taylor A.J., Yarotski D.A., Prasankumar R.P., Thompson J.D. Hall effect in the extremely large magnetoresistance semimetal WTe2 // Appl. Phys. Lett. 2015. V. 107. P. 182411.
  13. Pan X.-C., Pan Y., Jiang J., Zuo H., Liu H., Chen X., Wei Z., Zhang S., Wang Z., Wan X., Yang Z., Feng D., Xia Z., Li L., Song F., Wang B., Zhang Y., Wang G. Carrier balance and linear magnetoresistance in type-II Weyl semimetal WTe2 // Front. Phys. 2017. V. 12(3). P. 127203.
  14. Перевалова А.Н., Наумов С.В., Подгорных С.М., Чистяков В.В., Марченкова Е.Б., Фоминых Б.М., Марченков В.В. Кинетические свойства монокристалла топологического полуметалла WTe2 // ФММ. 2022. Т. 123. С. 1131–1137.
  15. Perevalova A.N., Naumov S.V., Marchenkov V.V. Peculiarities of the electro- and magnetotransport in semimetal MoTe2 // Metals. 2022. V. 12. P. 2089–2098.
  16. Lv Y.-Y., Cao L., Li X., Zhang B.-B., Wang K., Pang B., Ma L., Lin D., Yao S.-H., Zhou J., Chen Y.B., Dong S.-T., Liu W., Lu M.-H., Chen Y., Chen Y.-F. Composition and temperature dependent phase transition in miscible Mo1−xWxTe2 single crystals // Sci. Rep. 2017. V. 7. P. 44587.
  17. Zandt T., Dwelk H., Janowitz C., Manzke R. Quadratic temperature dependence up to 50 K of the resistivity of metallic MoTe2 // J. Alloys Compd. 2007. V. 442. P. 216–218.
  18. Santos-Cottin D., Martino E., Le Mardelé F., Witteveen C., von Rohr F.O., Homes C.C., Rukelj Z., Akrap A. Low-energy excitations in type-II Weyl semimetal Td-MoTe2 evidenced through optical conductivity // Phys. Rev. Mater. 2020. V. 4. P. 021201(R).
  19. Pan X.-C., Chen X., Liu H., Feng Y., Wei Z., Zhou Y., Chi Z., Pi L., Yen F., Song F., Wan X., Yang Z., Wang B., Wang G., Zhang Y. Pressure-driven dome-shaped superconductivity and electronic structural evolution in tungsten ditelluride // Nat. Commun. 2015. V. 6. P. 7805.
  20. Пирозерский А.Л., Чарная Е.В., Lee M.K., Chang L.-J., Наумов С.В., Доможирова А.Н., Марченков В.В. Магнитосопротивление и квантовые осцилляции в полуметалле WTe2 // ФТТ. 2021. Т. 63. С. 2033–2037.
  21. Волкенштейн Н.В., Глиньский М., Марченков В.В., Старцев В.Е., Черепанов А.Н. Особенности гальваномагнитных свойств компенсированных металлов в условиях статического скин-эффекта в сильных магнитных полях (вольфрам) // ЖЭТФ. 1989. Т. 95. С. 2103–1116.
  22. Cherepanov A.N., Marchenkov V.V., Startsev V.E., Volkenshtein N.V., Glin’skii M. High-field galvanomagnetic properties of compensated metals under electron-surface and intersheet electron-phonon scattering (tungsten) // J. Low. Temp. Phys. 1990. V. 80. P. 135–151.
  23. Chen F.C., Lv H.Y., Luo X., Lu W.J., Pei Q.L., Lin G.T., Han Y.Y., Zhu X.B., Song W.H., Sun Y.P. Extremely large magnetoresistance in the type-II Weyl semimetal MoTe2 // Phys. Rev. B. 2016. V. 94. P. 235154.
  24. Wu Y., Jo N.H., Mou D., Huang L., Bud’ko S.L., Canfield P.C., Kaminski A. Three-dimensionality of the bulk electronic structure in WTe2 // Phys. Rev. B. 2017. V. 95. P. 195138.
  25. Luo X., Chen F.C., Zhang J.L., Pei Q.L., Lin G.T., Lu W.J., Han Y.Y., Xi C.Y., Song W.H., Sun Y.P. Td-MoTe2: A possible topological superconductor // Appl. Phys. Lett. 2016. V. 109. P. 102601.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Fragments of X-ray radiographs taken from the surface of WTe2 and MoTe2 single crystals

Download (133KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Analysis of the chemical composition of WTe2 and MoTe2 single crystals at the surface areas shown in the corresponding insets. The ratio of W and Te is 33.17 and 66.83 at. %. The ratio of Mo and Te is 33.01 and 66.99 at. %

Download (199KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Temperature dependences of the electrical resistivity ρ(T) of WTe2 and MoTe2 single crystals in the temperature range from 2 to 290 K

Download (174KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Field dependences of the Hall resistance ρxy(B) of WTe2 single crystal at temperatures from 2 to 100 K in fields up to 9 Tesla

Download (165KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Field dependences of the Hall resistance ρxy(B) of MoTe2 single crystal at temperatures from 2 to 50 K in fields up to 9 Tesla

Download (143KB)
Indexing metadata


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».