ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ. eISSN 1684-1719. 2025. №4

Оглавление выпуска

Текст статьи (pdf)

English page

 

 

DOI: https://doi.org/10.30898/1684-1719.2025.4.14  

УДК: 539.21

 

 

Топологические свойства монокристаллов
твёрдого раствора (Cd1-xZnx)3As2, X = 0.093

 

В.С. Захвалинский1, А.В. Борисенко1,5, А.В. Маширов2, А.В. Кочура3, В.В. Соболев4

 

1Белгородский Государственный Национальный Исследовательский Университет,
308015, Белгород, ул. Победы, д. 85

2Институт радиотехники и электроники им. В.А Котельникова РАН,
125009, Москва, ул. Моховая 11, корп. 7

3Юго-Западный Государственный Университет,
305040, Курск, ул. 50 лет Октября, д. 94

4Ижевский Государственный Технический Университет имени М.Т. Калашникова,
426069, Ижевск, ул. Студенческая, д. 7

5Белгородский юридический институт МВД России имени И.Д. Путилина,
308024, Белгород, ул.  Горького, д. 71

 

Статья поступила в редакцию 21 марта 2025 г.

 

Аннотация. В монокристаллах твёрдого раствора (Cd0.907Zn0.093)3As2 из осцилляции Шубникова-де Гааза в поперечном магнитном поле определена циклотронная масса, проведено сравнение шубниковских и холловских параметров носителей заряда. Наблюдалась линейная зависимость циклотронной массы от магнитного поля. Были определены параметры динамики носителей заряда, такие как концентрация, волновой вектор Ферми, время релаксации носителей заряда, скорость носителей заряда на поверхности Ферми, средняя длина свободного пробега носителей заряда. Определено значение температуры Дингля TD = 21.2 К. Зависимость циклотронной массы, экспериментально наблюдаемой по осцилляциям Шубникова-де Гааза, от волнового вектора Ферми хорошо согласуется с предсказанной теорией линейной зависимостью и совместно с видом веерной диаграммы Ландау указывает на присутствие в монокристаллах (Cd0.907Zn0.093)3As2 фермионов Дирака с околонулевой эффективной массой.

Ключевые слова: эффект Шубникова-де Гааза, фермионы Дирака, арсенид цинка, арсенид кадмия.

Финансирование: Оставить пустым если финансирование отсутствует.

Автор для переписки: Борисенко Александр Васильевич, borisenko02.94@mail.ru

 

Литература

1. Wieder B. J. et al. Topological materials discovery from crystal symmetry //Nature Reviews Materials. – 2022. – Т. 7. – №. 3. – С. 196-216. https://doi.org/10.1038/s41578-021-00380-2  

2. Crassee I. et al. 3D Dirac semimetal Cd 3 As 2: A review of material properties //Physical Review Materials. – 2018. – Т. 2. – №. 12. – С. 120302.  https://doi.org/10.1103/PhysRevMaterials.2.120302  

3. Ali M. N. et al. The crystal and electronic structures of Cd3As2, the three-dimensional electronic analogue of graphene //Inorganic chemistry. – 2014. – Т. 53. – №. 8. – С. 4062-4067. https://doi.org/10.1021/ic403163d  

4. Neupane M. et al. Observation of a three-dimensional topological Dirac semimetal phase in high-mobility Cd3As2 //Nature communications. – 2014. – Т. 5. – №. 1. – С. 3786. https://doi.org/10.1038/ncomms2191  

5. Borisenko S. et al. Experimental realization of a three-dimensional Dirac semimetal //Physical review letters. – 2014. – Т. 113. – №. 2. – С. 027603. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.113.027603

6. Mitra A. et al. Constraints on proximity-induced ferromagnetism in a Dirac semimetal (Cd 3 As 2)/ferromagnetic semiconductor (Ga 1− x Mn x Sb) heterostructure //Physical Review Materials. – 2023. – Т. 7. – №. 9. – С. 094201.  https://doi.org/10.1103/PhysRevMaterials.7.094201

7. Liang T. et al. Ultrahigh mobility and giant magnetoresistance in the Dirac semimetal Cd 3 As 2 //Nature materials. – 2015. – Т. 14. – №. 3. – С. 280-284. https://doi.org/10.1038/nmat4143  

8. Singh A. et al. Ultrahigh Carrier Mobility in Cd3As2 Nanowires //physica status solidi (RRL)–Rapid Research Letters. – 2023. – Т. 17. – №. 2. – С. 2200365.   https://doi.org/10.1002/pssr.202200365

9. Rice A. D. et al. High mobility Cd3As2 (112) on GaAs (001) substrates grown via molecular beam epitaxy //ACS Applied Electronic Materials. – 2022. – Т. 4. – №. 2. – С. 729-734. https://doi.org/10.1021/acsaelm.1c01126  

10. Jeon S. et al. Landau quantization and quasiparticle interference in the three-dimensional Dirac semimetal Cd3As2 //Nature materials. – 2014. – Т. 13. – №. 9. – С. 851-856. https://doi.org/10.1038/nmat4023  

11. Nelson J. N. et al. Direct link between disorder and magnetoresistance in topological semimetals //Physical Review B. – 2023. – Т. 107. – №. 22. – С. L220206. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.107.L220206

12. Ouyang W. et al. Extraordinary Thermoelectric Properties of Topological Surface States in Quantum‐Confined Cd3As2 Thin Films //Advanced Materials. – 2024. – Т. 36. – №. 28. – С. 2311644. https://doi.org/10.1002/adma.202311644

13. Akrap A. et al. Magneto-optical signature of massless Kane electrons in Cd 3 As 2 //Physical review letters. – 2016. – Т. 117. – №. 13. – С. 136401. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.117.136401

14. Chorsi H. T. et al. Widely tunable optical and thermal properties of Dirac semimetal Cd3As2 //Advanced Optical Materials. – 2020. – Т. 8. – №. 8. – С. 1901192. https://doi.org/10.1002/adom.201901192

15. Gao J. et al. Surface reconstruction, oxidation mechanism, and stability of Cd3As2 //Advanced Functional Materials. – 2019. – Т. 29. – №. 26. – С. 1900965. https://doi.org/10.1002/adfm.201900965

16. Ivanov V. et al. Absence of backscattering in Fermi-arc mediated conductivity of the topological Dirac semimetal Cd 3 As 2 //Physical Review B. – 2024. – Т. 109. – №. 19. – С. 195139. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.109.195139

17. Rancati A. et al. Impurity-induced topological phase transitions in Cd 3 As 2 and Na 3 Bi Dirac semimetals //Physical Review B. – 2020. – Т. 102. – №. 19. – С. 195110. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.102.195110  

18. Lygo A. C. et al. Two-dimensional topological insulator state in cadmium arsenide thin films //Physical Review Letters. – 2023. – Т. 130. – №. 4. – С. 046201. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.130.046201

19. Galeeva A. V. et al. Electron energy relaxation under terahertz excitation in (Cd1− xZnx) 3As2 Dirac semimetals //Beilstein Journal of Nanotechnology. – 2017. – Т. 8. – №. 1. – С. 167-171.  https://doi.org/10.3762/bjnano.8.17

20. Singh M. et al. Topological nature of large bulk band gap materials Sr3Bi2 and Ca3Bi2 //Physica Scripta. – 2023. – Т. 98. – №. 3. – С. 035813.  https://doi.org/10.1088/1402-4896/acb7b3  

21. Zhang X. et al. Three-dimensional Dirac semimetal (Cd1− x Zn x) 3As2/Sb2Se3 back-to-back heterojunction for fast-response broadband photodetector with ultrahigh signal-to-noise ratio //Science China Materials. – 2023. – Т. 66. – №. 4. – С. 1484-1493. https://doi.org/10.1007/s40843-022-2270-1  

22. Brooks C., Lany S. Heterostructural alloy phase diagram for (Cd 1− x Zn x) 3 As 2 //Physical Review Materials. – 2024. – Т. 8. – №. 6. – С. L061201. https://doi.org/10.1103/PhysRevMaterials.8.L061201

23. Zakhvalinskii V. et al. Two-Dimensional Surface Topological Nanolayers and Dirac Fermions in Single Crystals of the Diluted Magnetic Semiconductor (Cd1− x− y Zn x Mn y) 3As2 (x+ y= 0.3) //Crystals. – 2020. – Т. 10. – №. 11. – С. 988. https://doi.org/10.3390/cryst10110988

24. Zakhvalinskii V. S. et al. Transport evidence of mass-less Dirac fermions in (Cd1− x− yZnxMny) 3As2 (x+ y= 0.4) //Materials Research Express. – 2020. – Т. 7. – №. 1. https://doi.org/10.1088/2053-1591/ab688b  

25. Novoselov K. S. et al. Two-dimensional gas of massless Dirac fermions in graphene //nature. – 2005. – Т. 438. – №. 7065. – С. 197-200. https://doi.org/10.1038/nature04233  

26. Lahoud E. et al. Evolution of the Fermi surface of a doped topological insulator with carrier concentration //Physical Review B—Condensed Matter and Materials Physics. – 2013. – Т. 88. – №. 19. – С. 195107. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.88.195107

27. Lawson B. J. et al. Quantum oscillations in Cu x Bi 2 Se 3 in high magnetic fields //Physical Review B. – 2014. – Т. 90. – №. 19. – С. 195141.  https://doi.org/10.1103/PhysRevB.90.195141

28. Kraus W., Nolze G. Windows version of PowderCell 1.0, a program for manipulation of crystal structures and calculation of the corresponding powder diffraction patterns //J. Appl. Crystallogr. – 1996. – Т. 29. – С. 301. https://doi.org/10.1107/S0021889895014920

29. Arushanov E. K. Crystal growth and characterization of II3V2 compounds //Progress in crystal growth and characterization. – 1980. – Т. 3. – №. 2-3. – С. 211-255. https://doi.org/10.1016/0146-3535(80)90020-9

30. Pietraszko A., Łukaszewicz K. Thermal expansion and phase transitions of Cd3As2 and Zn3As2 //physica status solidi (a). – 1973. – Т. 18. – №. 2. – С. 723-730. https://doi.org/10.1002/pssa.2210180234

31. Маренкин С. Ф., Трухан В. М. Фосфиды, арсениды цинка и кадмия //Минск: Вараскин. – 2010.

32. Риль А. И. и др. ФАЗОВЫЕ РАВНОВЕСИЯ В ТРОЙНОЙ СИСТЕМЕ CdAs 2-Cd 3 As 2-MnAs //Журнал неорганической химии. – 2017. – Т. 62. – №. 7. – С. 977-987. https://doi.org/10.7868/S0044457X17070200

33. Zakhvalinskii V. S. et al. Linear dispersion of Dirac fermions in (Cd1–x–yZnxMny) 3As2, х+ y= 0.2, у= 0.02, 0.04, 0.06, 0.08 solid solutions //Physica Scripta. – 2021. – Т. 96. – №. 12. – С. 125856. https://doi.org/10.1088/1402-4896/ac3873  

34. Marenkin S. F. et al. Formation of the α''-phase and study of the solubility of Mn in Cd3As2 //Journal of Alloys and Compounds. – 2022. – Т. 892. – С. 162082. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2021.162082

35. Allmann R., Hinek R. The introduction of structure types into the Inorganic Crystal Structure Database ICSD //Foundations of Crystallography. – 2007. – Т. 63. – №. 5. – С. 412-417. http://doi.org/10.1107/S0108767307038081

36. Dean J. A. Lange's handbook of chemistry. – 1999.

37. Ivanov O. et al. Asymmetry and parity violation in magnetoresistance of magnetic diluted Dirac–Weyl semimetal (Cd0. 6Zn0. 36Mn0. 04) 3As2 //physica status solidi (RRL)–Rapid Research Letters. – 2018. – Т. 12. – №. 12. – С. 1800386. https://doi.org/10.1002/pssr.201800386

38. Li C. Z. et al. Two-carrier transport induced Hall anomaly and large tunable magnetoresistance in Dirac semimetal Cd3As2 nanoplates //ACS nano. – 2016. – Т. 10. – №. 6. – С. 6020-6028. https://doi.org/10.1021/acsnano.6b01568  

39. Chen Y. L. et al. Massive Dirac fermion on the surface of a magnetically doped topological insulator //Science. – 2010. – Т. 329. – №. 5992. – С. 659-662. https://doi.org/10.1126/science.1189924

40. Шикин А. М. Природа открытия и модификации дираковской щели в аксионном антиферромагнитном топологическом изоляторе MnBi _2 Te _4 //Физика твердого тела. – 2020. – Т. 62. – №. 8. – С. 1293-1301.  https://doi.org/10.21883/FTT.2020.08.49617.068

41. Zhao Y. et al. Anisotropic Fermi surface and quantum limit transport in high mobility three-dimensional Dirac semimetal Cd 3 As 2 //Physical Review X. – 2015. – Т. 5. – №. 3. – С. 031037. https://doi.org/10.1103/PhysRevX.5.031037

42. Guo S. T. et al. Large transverse Hall-like signal in topological Dirac semimetal Cd3As2 //Scientific reports. – 2016. – Т. 6. – №. 1. – С. 27487. https://doi.org/10.1038/srep27487

43. Pariari A. et al. Tuning the scattering mechanism in the three-dimensional Dirac semimetal Cd 3 As 2 //Physical Review B. – 2016. – Т. 94. – №. 16. – С. 165139. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.94.165139

44. Цидильковский И. М. Зонная структура полупроводников. – Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1978.

45. Zakhvalinskii V. S. et al. Anomalous cyclotron mass dependence on the magnetic field and Berry’s phase in (Cd1− x− yZnxMny) 3As2 solid solutions //Journal of Physics: Condensed Matter. – 2017. – Т. 29. – №. 45. – С. 455701. https://doi.org/10.1088/1361-648X/aa8bdb

46. Laiho R. et al. Shubnikov-de Haas effect in thermally annealed (Cd1− x− yZnxMny) 3As2 //Journal of Physics and Chemistry of Solids. – 1997. – Т. 58. – №. 5. – С. 717-724. https://doi.org/10.1016/S0022-3697(96)00194-1

47. Laiho R. et al. Shubnikov‐de Haas Effect in (Cd1− x− yZnxMny) 3As2 under Pressure //physica status solidi (b). – 1996. – Т. 198. – №. 1. – С. 135-141.  https://doi.org/10.1002/pssb.2221980119

48. Petrushevsky M. et al. Probing the surface states in Bi 2 Se 3 using the Shubnikov–de Haas effect //Physical Review B—Condensed Matter and Materials Physics. – 2012. – Т. 86. – №. 4. – С. 045131. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.86.045131

49. Lawson B. J., Hor Y. S., Li L. Quantum oscillations in the topological superconductor candidate Cu 0.25 Bi 2 Se 3 //Physical Review Letters. – 2012. – Т. 109. – №. 22. – С. 226406. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.109.226406

50. Murakawa H. et al. Detection of Berry’s phase in a bulk Rashba semiconductor //Science. – 2013. – Т. 342. – №. 6165. – С. 1490-1493. https://doi.org/10.1126/science.1242247 .

51. Xiang Z. J. et al. Angular-dependent phase factor of Shubnikov–de Haas oscillations in the Dirac semimetal Cd 3 As 2 //Physical review letters. – 2015. – Т. 115. – №. 22. – С. 226401. http://doi.org/10.1103/PhysRevLett.115.226401  

Для цитирования:

Захвалинский В.С., Борисенко А.В., Маширов А.В., Кочура А.В., Соболев В.В. Топологические свойства монокристаллов твердого раствора (Cd1-xZnx)3As2, X = 0.093. // Журнал радиоэлектроники. – 2025. – №. 4. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2025.4.14