ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН English Войти Подать статью
Журнал радиоэлектроники Электронный научный журнал · eISSN 1684-1719
2026, № 5 · ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ЭЛЕКТРОНИКИ

Особенности топологических свойств монокристаллов твердого раствора (Cd0.6Zn0.36Mn0.04)3As2

В.С. Захвалинский1, Т.Б. Никуличева1, А.В. Маширов2, Б.А. Аронзон3, А.Б. Мехия3, А.Б. Давыдов3, М.Х. Зиармал1, К.С. Сохань1, В.Б. Никуличев4

1 Белгородский государственный национальный исследовательский университет, Белгород, Россия
2 ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН, Москва, Россия
3 Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, Москва, Россия
4 Белгородский государственный технологический университет имени В.Г. Шухова, Белгород, Россия
Полный текст DOI: 10.30898/1684-1719.2026.5.8 УДК 539.21 EDN HOCIBU

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)/ m 0 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)/ m 0 .

  • эффект Шубникова - де Гааза
  • фермионы Дирака
  • арсенид кадмия
  • Дираковские/Вейлевские полуметаллы
Abstract (in English)

Features of topological properties of single crystals of the solid solution (Cd0.6Zn0.36Mn0.04)3As2

Single crystals of a solid solution (Cd1-x-yZnxMny)3As2 ( x + y = 0.4; y = 0.04) were obtained by the modified Bridgmen method Dirac semimetals Cd3As2. All experimental samples (Cd0.6Zn0.36Mn0.04)3As2 had a tetragonal crystal structure ( α'' -Cd3As2), spatial group P42/nmc , at room temperature. The Shubnikov-de-Haas oscillations were measured at temperature of 4.5 K and 8 K in magnetic fields up to 3 T. For the studied singlet crystals (Cd0.6Zn0.36Mn0.04)3As2, using the Lifshits-Onsager ratio [1, 2] and the determination of fundamental frequencies from Fourier analysis, 3D and 2D parameters were determined. The conservation of the magnitude of the wave vector kF = 0.1 nm-1 has been established with differences in the cyclotron masses of mc (0)/ m 0 charge carriers in different single (Cd1-х-yZnxMny)3As2 of the same composition ( x + y = 0.4; y = 0.04), this feature demonstrates the preservation of topological properties with a change in the cyclotron mass mc (0)/ m 0 .

Для цитирования

Захвалинский В.С., Никуличева Т.Б., Маширов А.В., Аронзон Б.А., Мехия А.Б., Давыдов А.Б., Зиармал М.Х., 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

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