Anisotropy and size effects in Bi1-xSbx semiconductor wires in a magnetic field

Abstract

The electron transport and longitudinal and transverse magnetoresistance (MR) of glass-insulated Bi0.92Sb0.08 single-crystal wires with diameters of 180 nm to 2.2 μm and the (1011) orientation along the wire axis have been studied. The wires have been prepared by liquid-phase casting. It has been first found that the energy gap ΔE increases by a factor of 4 with a decrease in wire diameter d due to the manifestation of the quantum size effect, which can occur under conditions of a linear energy–momentum dispersion law characteristic of both the gapless state and the surface states in topological insulators (TIs). It has been revealed that, in strong magnetic fields at low temperatures, a semiconductor–semimetal transition occurs, which is evident as an anomalous decrease in the transverse MR anisotropy and the appearance of a metallic temperature dependence of resistance at T < 100 K. It has been found that the effect of negative MR, the appearance of an anomalous maximum in the longitudinal MR, and the dependence of Hmax ~ d-1 at 4.2 K is a manifestation of the classical MacDonald–Chambers size effect. The calculated value of the component of the Fermi momentum perpendicular to the magnetic induction vector H is 2 times higher than the value for pure bismuth wires. The features of the manifestation of the quantum size effect in Bi0.92Sb0.08 wires, semiconductor–semimetal electronic transitions induced by a magnetic field, and a decrease in the transverse MR anisotropy indicate the occurrence of new effects in low-dimensional structures based on semiconductor wire TIs, which require new scientific approaches and applications.

A fost studiat transportul de electroni și magnetoresistența longitudinală și transversală (MR) a firelor monocristaline de Bi0.9Sb0.08 în înveliș de sticlă cu diametre de la 180 nm până la 2,2 μm și orientarea (1011) de-a lungul axei firului. Firele au fost obtinute prin turnarea din faza lichidă. Pentru prima dată s-a constatat că gap-ul energetic E crește de 4 ori cu micșorarea diametrului firului d, datorită manifestării efectelor cuantice dimensionale, care pot apărea în condițiile unei legi de dispersie energie-impuls liniare, care este caracteristică atât pentru o stare fără gap, cât și pentru stările de suprafață în izolatorii topologici (TIs). S-a observat că, în câmpurile magnetice puternice la temperaturi scăzute, se produce o tranziție semiconductor-semimetal, care se manifestă printr-o scădere anormală a anizotropiei magnetoresistenței transversale și apariția unei dependențe metalice de temperatură a rezistenței la T<100K. S-a constatat că efectul magnetoresistenței negative, apariția unui maxim anormal în magnetoresistența longitudinală și dependența Hmax ~ d～1 la 4,2 K sunt o manifestare a efectului dimensional clasic MacDonald-Chambers. Valoarea calculată a componentei - a impulsului Fermi, perpendicular pe vectorul de inducție magnetică H, este de 2 ori mai mare decât valoarea pentru firele de bismut pur. Particularitățile manifestării efectului cuantic dimensional în firele Bi0,92Sb0,08, tranzițiile electronice semiconductor-semimetal induse de un câmp magnetic și scăderea anizotropiei magnetoresistenței transversale indică la manifestarea de noi efecte în structurile de dimensiuni reduse ale izolatorilor topologici pe fire semiconductoare, care necesită noi abordări științifice și aplicații.