ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ. eISSN 1684-1719. 2026. №5

Оглавление выпуска

Текст статьи (pdf)

English page

 

 

DOI: https://doi.org/10.30898/1684-1719.2026.5.8  

УДК: 539.21

 

 

ОСОБЕННОСТИ ТОПОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

МОНОКРИСТАЛЛОВ ТВЕРДОГО РАСТВОРА (Cd0.6Zn0.36Mn0.04)3As2

 

В.С. Захвалинский 1, Т.Б. Никуличева 1, А.В. Маширов 4, Б.А. Аронзон 2, А.Б. Мехия 2,

А.Б. Давыдов 2, Зиармал Мавла Хан 1, К.С. Сохань 1, В.Б. Никуличев 3

 

1 Белгородский государственный национальный исследовательский университет,

308015, Белгород, ул. Победы, д. 85

2 Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН,

119991, Москва, Ленинский проспект, д.53

3 Белгородский государственный технологический университет имени В.Г. Шухова,

308012, Белгород, ул. Костюкова, д.46

4 Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН,

Россия, 125009, Москва, ул. Моховая, 11, стр.7

 

Статья поступила в редакцию 10 апреля 2026 г.

 

Аннотация. Модифицированным методом Бриджмена получены монокристаллы твердого раствора (Cd1-x-yZnxMny)3As2 (x + y = 0.4; y = 0.04) полуметалла Дирака Cd3As2. Все экспериментальные образцы (Cd0.6Zn0.36Mn0.04)3As2 имели при комнатной температуре тетрагональную кристаллическую структуру (α''-Cd3As2), пространственную группу P42/nmc. Измерены осцилляции Шубникова - де Гааза при температуре 4.5 К и 8 К  в магнитных полях до 3 Тл. Для исследованных монокристаллов (Cd0.6Zn0.36Mn0.04)3As2, с помощью отношения Лифшица-Онзагера [1, 2] и определения основных частот из анализа Фурье были определены 3D и 2D параметры. Установлено сохранение величины волнового вектора kF = 0.1 нм –1 при отличии циклотронных масс mc(0)/m0 носителей заряда в разных монокристаллах (Cd1-х-yZnxMny)3As2 одного состава (x + y = 0.4; y = 0.04),  эта особенность демонстрирует сохранение топологических свойств при изменении циклотронной массы mc(0)/m0 .

Ключевые слова: эффект Шубникова - де Гааза, фермионы Дирака, арсенид кадмия, Дираковские/Вейлевские полуметаллы.

Финансирование: Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (РНФ), проект № 25-42-10022, тема проекта «Спин-поляризованные структуры в системах полупроводник, Дираковский полуметалл- ферромагнетик в качестве новых эффективных компонентов микро-нано- магнито- и оптоэлектроники».

Автор для переписки: Захвалинский Василий Сергеевич, zakhvalinskii@bsuedu.ru

 

Литература

1. Landau L.D., Lifshitz E.M. Statistical physics: volume 5. – Elsevier, 2013.  – Т. 5.

2. Onsager L. Interpretation of the de Haas-van Alphen effect // The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science. – 1952.  – Т. 43. – №. 344. – С. 1006-1008. https://doi.org/10.1080/14786440908521019

3. 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

4. Wang Z. et al. Three dimensional Dirac semimetal and quantum  transports in Cd3As2 // 2013 Phys. Rev. B. 88. 125427, https://doi.org/10.1103/PhysRevB.88.125427

5. Liu Z.K. et al. Discovery of a three-dimensional topological Dirac semimetal, Na3Bi // Science. – 2014. – Т. 343. – №. 6173. – С. 864-867. https://doi.org/10.1126/science.1245085

6. Xu G. et al. Chern semimetal and the quantized anomalous Hall effect in HgCr2Se4 // Physical review letters. – 2011. – Т. 107. – №. 18. – С. 186806. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.107.186806

7. Liang T. et al. Ultrahigh mobility and giant magnetoresistance in the Dirac semimetal Cd3As2 // 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. Armitage N.P., Mele E.J., Vishwanath A. Weyl and Dirac semimetals in three-dimensional solids // Reviews of Modern Physics. – 2018. – Т. 90. – №. 1.  – С. 015001. https://doi.org/10.1103/RevModPhys.90.015001

11. Yan B., Felser C. Topological materials: Weyl semimetals // Annual Review  of Condensed Matter Physics. – 2017. – Т. 8. – С. 337-354. https://doi.org/10.1146/annurev-conmatphys-031016-025458

12. Wang S. et al. Quantum transport in Dirac and Weyl semimetals: a review // Advances in Physics: X. – 2017. – Т. 2. – №. 3. – С. 518-544. https://doi.org/10.1080/23746149.2017.1327329

13. Wang Z. et al. Three dimensional Dirac semimetal and quantum transports  in Cd3As2 // Phys. Rev. B, 88 (12), 125427 (2013). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.88.125427

14. Lu H. et al. Topological phase transition in single crystals of (Cd1−xZnx)3As2  // Scientific reports. – 2017. – Т. 7. – №. 1. – С. 3148. https://doi.org/10.1038/s41598-017-03559-2

15. Arushanov E. et al. 3D Dirac semimetal Cd3As2-based solid solutions growth and characterization // AIP Advances. – 2025. – Т. 15. – №. 1. https://doi.org/10.1063/5.0235231

16. Zhang K. et al. Controllable synthesis and magnetotransport properties of Cd3As2 Dirac semimetal nanostructures // RSC advances. – 2017. – Т. 7. – №. 29.  – С. 17689-17696. https://doi.org/10.1039/c7ra02847d

17. Lu W. et al. Ultrafast photothermoelectric effect in Dirac semimetallic Cd3As2 revealed by terahertz emission // Nature Communications. – 2022. – Т. 13. – №. 1. – С. 1623. https://doi.org/10.1038/s41467-022-29168-w

18. Wang Q. et al. Ultrafast broadband photodetectors based on three-dimensional Dirac semimetal Cd3As2 // Nano letters. – 2017. – Т. 17. – №. 2. – С. 834-841. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.6b04084

19. Walowski J., Münzenberg M. Perspective: Ultrafast magnetism and THz spintronics // Journal of Applied Physics. – 2016. – Т. 120. – №. 14. https://doi.org/10.1063/1.4958846

20. Gao H. et al. Topological semimetals from first principles // Annual Review of Materials Research. – 2019. – Т. 49. – №. 1. – С. 153-183. https://doi.org/10.1146/annurev-matsci-070218-010049

21. Brooks C., Lany S. Heterostructural alloy phase diagram for (Cd1− xZnx)3As2 // Physical Review Materials. – 2024. – Т. 8. – №. 6. – С. L061201. https://doi.org/10.1103/PhysRevMaterials.8.L061201

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

23. 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

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.- P. 015918. https://doi.org/10.1088/2053-1591/ab688b

25. 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

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

27. Захвалинский В.С., Борисенко А.В., Маширов А.В., Кочура А.В., Япрынцев М.Н. Линейная дисперсия дираковских фермионов в монокристаллах твердого раствора (Cd1-x-yZnxMny)3As2 при x = 0.29, y = 0.01 // Журнал радиоэлектроники. – 2025. – № 2. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2025.2.15

28. Lawson B.J. et al. Quantum oscillations in CuxBi2Se3 in high magnetic fields  // Physical Review B. – 2014. – Т. 90. – №. 19. – С. 195141. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.90.195141

29. Lawson B.J., Hor Y.S., Li L. Quantum oscillations in the topological superconductor candidate Cu0.25Bi2Se3 // Physical review letters. – 2012. – Т. 109. – №. 22. – С. 226406. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.109.226406

30. Petrushevsky M. et al. Probing the surface states in Bi2Se3 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

31. 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

32. 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

33. Риль А.И. и др. Фазовые равновесия в тройной системе CdAs2-Cd 3 As 2-MnAs // Журнал неорганической химии. – 2017. – Т. 62. – №. 7. – С. 977-987. https://doi.org/10.7868/S0044457X17070200

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. 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

36. 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

37. 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

38. Zhang Y. et al. Experimental observation of the quantum Hall effect and Berry's phase in graphene // nature. – 2005. – Т. 438. – №. 7065. – С. 201-204. https://doi.org/10.1038/nature04235

39. Vedeneev S.I. et al. Quantum oscillations in strong magnetic fields, berry phase, and superconductivity in three-dimensional topological Bi2–xCuxSe3 insulators // Journal of Experimental and Theoretical Physics. – 2015. – Т. 121. – №. 1.  – С. 65-75. https://doi.org/10.1134/S1063776115060217

40. Zakhvalinskii V.S. et al. Anomalous cyclotron mass dependence ohttps://doi.org/10.1088/1361-648X/aa8bdbn 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

41. Zhang Y. et al. Experimental observation of the quantum Hall effect and Berry's phase in graphene // nature. – 2005. – Т. 438. – №. 7065. – С. 201-204. https://doi.org/10.1038/nature04235

42. 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

43. 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

 

Для цитирования:

Захвалинский В.С., Никуличева Т.Б., Маширов А.В., Аронзон Б.А., Мехия А.Б.,  Давыдов А.Б., Зиармал Мавла Хан, Сохань К.С., Никуличев В.Б. Особенности топологических свойств монокристаллов твердого раствора (Cd0.6Zn0.36Mn0.04)3As2 // Журнал радиоэлектроники. – 2026. – №. 5. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2026.5.8