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摘 要

凝聚态物理领域为研究高能物理中未找到的被预言粒子提供了希望。在固体材料中，受具体的晶体结构的影响，电子特殊的集体行为可视为激发为一种新的“准粒子”来描述。在固体材料中发现外尔半金属这一迟迟未能在高能物理中被发现的粒子之后，第二类外尔半金属，这一种打破了洛伦兹对称性的、在基本粒子理论中不能够存在的粒子，在凝聚态物理的固体材料中被预言、发现。相对于第一类外尔半金属，第二类外尔半金属的外尔锥发生严重倾斜，因而有着特殊的能带结构。然而WTe₂作为第一个被理论预言为第二类外尔半金属的候选者却迟迟不被实验证实。

本文首先简单介绍了拓扑绝缘体和拓扑半金属的概念和原理以及WTe₂材料和第二类外尔半金属的前沿进展。然后描述了一套完整的输运实验过程的各个阶段，包括晶体生长、材料表征、器件制备、输运测量到最后的数据分析。实验上主要完成了WTe₂器件的制备和磁阻和霍尔的低温磁场输运测量。对输运数据进行了SdH振荡分析、Lifshitz-Kosevich公式拟合，获取了WTe₂薄层的载流子及能带的相关信息，并对WTe2的第二类外尔半金属的身份做了简单的分析。

关键词：第二类外尔半金属，WTe₂，SdH振荡，Lifshitz-Kosevich公式

Abstract

The field of condensed matter theory provides hope for the study of predicted particles not found in high energy physics. Under the influence of crystal structure, the collective behavior of electrons in solid materials can be regarded as stimulating a new "quasi-particle". After the discovery of Weyl semimetals in a solid material, a particle that has not been truly discovered in high-energy physics, the type-II Weyl semimetals are predicted in solid materials in condensed matter physics. The type-II Weyl semimetals breaks Lorentz symmetry and is impossible in elementary particle theory. Compared with the type-I Weyl semimetals, the type-II Weyl semimetals have seriously oblique Weyl cone. WTe₂, as the first candidate to be theoretically predicted to be the type-II Weyl semimetals, has not been experimentally confirmed.

This paper first briefly introduces the principle concepts of topological insulators and topological semimetals and the advances in the frontiers of WTe₂ materials and the type-II Weyl semimetals. Then it describes the various aspects of the complete transport experiment process, including crystal synthesize, material characterization, device preparation, transport measurements, and data analysis. The preparation of the WTe₂ device and the measurement of magnetoresistance and Hall transport were completed experimentally. The data obtained from the transport measurement were analyzed by SdH oscillation analysis and Lifshitz-Kosevich formula fitting. The carrier and energy bands of the WTe₂ thin layer were obtained. The identity of the type-II Weyl semimetals of WTe₂ was simply discussed.

KEY WORDS: Type-II Weyl semimetals, WTe₂, SdH oscillation, Lifshitz-Kosevich formula

目 录

摘要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

第一章 绪论 1

1.1拓扑绝缘体 1

1.1.1量子霍尔效应与TKNN拓扑不变量 2

1.1.2量子自旋霍尔效应与Z₂拓扑不变量 4

1.1.3二维拓扑绝缘体与三维拓扑绝缘体 6

1.2拓扑半金属 7

1.2.1拓扑半金属分类 7

1.3拓扑半金属的输运特性 8

1.3.1磁阻 8

1.3.2相对论费米子的零朗道能级 10

1.3.3 dHvA效应的Lifshitz-Kosevich 模型 11

1.3.4 SdH振荡 13

第二章 WTe₂晶体结构与性质 14

2.1 WTe₂中非饱和的巨大的一般磁阻效应 15

2.2费米面研究 16

2.2 ARPES表征 16

2.3量子振荡 17

2.4电子-空穴平衡：迁移率谱研究 17

2.5压力下的相变 17

2.6 WTe2中的拓扑非平凡态 18

2.6.1第二类weyl半金属态 19

2.6.2在WTe₂和 MoxW1-xTe₂ 中的费米弧 19

2.6.3接近Weyl点 19

2.6.4 WTe2单层中的二维拓扑绝缘态 20

第三章 第二类外尔半金属WTe₂ 的电输运测量 20

3.1单晶生长方法 21

3.1.1熔炼法^[18] 21

3.1.2气相输运法 22

3.1.3分子束外延与水热/溶剂热法 22

3.2 WTe2样品生长、器件制备 23

3.3 WTe2器件电输运测量 24

3.3.1 多项式扣除背底 25

3.3.2 二次微分扣除背底 28

3.3.3 LK公式拟合 29

3.3.4 WTe2是否属于第二类外尔半金属身份的相关讨论 31

第四章 总结 20

参考文献 32

致谢 34

第一章 绪论

1.1拓扑绝缘体

人类对纷繁复杂的现象处理的方法首先是分类，在物理学中，相（phase）指一个物理系统所具有的一个均匀的状态，不同的物理状态被分类成不同的相，同时相与相之间可能发生相变（phase transition）。例如，水是一种相，冰是一种相，他们之间会因为一些变量发生改变而从一个相变成另一个相。

朗道的自发对称破缺（spontaneous symmetry breaking）理论曾长期被用来解释这些相变的现象。当物质从一种相转变成另一种相时，意味着其对称性发生了变化。例如，水是一种具有所有平移对称和旋转对称性的相，而当其变成冰时，其结构固定成某一晶体结构，属于230种空间群中的一种，其仅具有一定的平移对称性和旋转对称性，意味着发生了对称性的破缺。在“自发对称破缺”理论中，任何一种相变都必然对应着一种对称性的破缺。而凝聚态物理中的大多数现象都可以用这一理论解释，例如，顺电相到铁电相对着空间反演对称性的破缺；顺磁相到铁磁相的转变对应着时间反演对称性的破缺；普通导体到超导相的转变对应着电磁相互作用相关的U(1)规范对称性破缺等等^[1]，不一而足。

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