又一理論被推翻！EuCd2As2y被證實為磁性半導體

編譯／高晟鈞

半導體的開發與材料科學的進展一直是並肩前行的，材料又大致可以分為二維與三維材料。具有潛力的二維材料包括像是石墨烯、二硫化鎢和二硫化鉬等；而說到三維材料，則不可避免地一定會談到──拓樸材料。

要解釋拓樸材料的概念十分抽象。簡單來說，你可以想像一個二維球面，無論如何進行壓縮與拉扯，在三維空間中，它的內部外部都是隔離的（性質不變）。但倘若，在它中間開了個洞；這刺破的球以拓樸概念來看，只等同於一張紙（一個平面）。

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拓樸絕緣體與Wely半金屬

拓樸材料有很多種，包含了幾年前發現的拓樸絕緣體（Topological Insulator）。它本身是絕緣體，然而，在材料的表面、邊界上卻具有導體的性質。更甚至，其邊界上的電流還攜帶自旋流，可以用於發光二極體、硬碟、磁性記憶體等裝置。

另一種拓樸材料被稱為Weyl半金屬，由於其電子等效質量為0，所以電子流動性極高。Weyl半金屬會在不同應變下，產生不同的相。當其以太赫茲頻率的雷射照射時，可以瞬間改變材料的相，具有不同的能帶與傳導性質，有望使電晶體或記憶體的速度產生革命性的變化。

EuCd₂As₂被證實為磁性半導體

EuCd₂As₂是一種外爾半金屬，由於是透過磁場變化來改變其拓樸性質，因此在許多文獻中被描述為「磁性」外爾半金屬。然而，在最近的一篇研究中，研究團隊證實其應該是一種磁性半導體而非外爾半金屬。

研究團隊成功地合成了高品質的EuCd₂As₂樣品，包括了金屬與絕緣晶體兩種形式（有史以來第一次），能更準確地測量材料的電磁行為。

研究團隊應用了多種光電技術才測量材料在不同溫度和高達16T的外部磁場下的行為。他們發現，雖然施加外部磁場會對EuCd₂As₂產生強烈影響，特別是當帶隙減小至125 meV後。然而，即使在強磁場的影響下，該材料依舊能表現出半導體的特性，也沒有任何跡象顯示其轉變為Weyl半金屬。因此，研究團隊認為，其反鐵磁的特性與借於導體和絕緣體間的導電性，更偏向於「磁性半導體」。

那麼為什麼這麼多研究對於EuCd₂As₂都得出錯誤結論呢？主要原因之一，是由於Eu金屬的f軌道上有電子，而這些電子很難用DFT去模擬。

資料來源:Phys.org

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