Vol. 51 (2015), Issue 1, p. 45-53

Эффект отрицательного магнетосопротивления в поперечном магнитном поле в квантовых нитях Bi

Николаева А.А., Конопко Л.А., Цуркан А.К., Синявский Е.П., Ботнарь О.В.

Abstract

УДК 539.216.1

Сообщается о впервые наблюдаемом эффекте отрицательного магнетосопротивления (ОМС) в поперечных магнитных полях (B ⊥ I) в квантовых нитях висмута при 4,2К. Монокристаллические нити висмута получаются литьем из жидкой фазы в стеклянной оболочке и представляют собой монокристалл строго цилиндрической формы с ориентацией (1011) вдоль оси нити и диаметрами от 50 до 400 нм. При диаметрах нитей d < 80 нм наблюдался переход полуметалл-полупроводник, связанный с проявлением квантового размерного эффекта и сопровождающийся «полупроводниковой» температурной зависимостью сопротивления R(T). В слабых поперечных магнитных полях наблюдался эффект ОМС как при В || С₂, так и при В || С₃. Увеличение диаметра нитей d, температуры Т и магнитного поля В приводит к ослаблению и полному исчезновению обнаруженных особенностей ОМС в слабых магнитных полях, что отражает факт ослабления и подавления эффекта размерного квантования. Рассматривается теоретическая модель квантовой проволоки, позволяющая объяснить немонотонное поведение поперечного магнетосопротивления в нитях Bi. Для интерпретации обнаруженного эффекта ОМС используется теоретическая модель, в которой проводимость рассчитывается согласно формуле Кубо с учетом упругого рассеяния носителей на фононах и размерного квантования энергетического спектра. Сравнение экспериментальных результатов с теоретической моделью позволяет заключить, что эффект ОМС в поперечном магнитном поле в нанонитях Bi носит квантовый характер.

Ключевые слова: квантовый размерный эффект, нанонити Bi, отрицательное магнетосопротивление, переход полуметалл-полупроводник.

We present here the effect observed for the first time, namely, that of the negative magnetoresistance (NMR) at a transverse magnetic field (B ⊥ I) in quantum Bi wires. The single crystal bismuth wires in a glass cover were prepared by liquid phase casting methods. Bi wires are of a strictly cylindrical shape with (1011) orientation along the wire axis with diameters ranging from 50 to 400 nm and the length up to several millimeters. In wires with the diameter of d < 80 nm the semimetal-semiconductor transition associated with the quantum size effect has been observed. We have found the transition accompanied by the “semiconductor” temperature dependence of the resistance R(T) in the temperature range of 2.1–300K, and the NMR in the weak transverse magnetic fields (both at B || C₂ and at B || C₃) at T < 5K. Increasing the diameter of the wires, temperature T and magnetic field B leads to the weakening of the negative transverse MR effect connected with the suppression effect of size quantization. To interpret this effect of the NMR we have used a theoretical model in which the electrical conductivity is calculated using the Cubo formula, taking into account the elastic scattering carriers on phonons and the size quantization of the energy spectrum. Compression of experimental results with the theoretical model allows us to conclude that the observed effect of the NMR in Bi-nanowires is of a quantum nature.

Keywords: quantum size effect, Bi nanowires, negative magnetoresistance, semimetal-semiconductor transition.

Download full-text PDF. 3222 downloads

Menu

Vol. 51 (2015), Issue 1, p. 45-53

Эффект отрицательного магнетосопротивления в поперечном магнитном поле в квантовых нитях Bi

Abstract