Co1/3NbS2在高压下的非平凡电输运特性和相变

《Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy》：Nontrivial electrical transport properties and phase transitions of Co1/3NbS2 at high pressures

本研究通过高压高温合成单晶Co1/3NbS2，并系统表征其结构、电输运和磁学性质。发现高压下材料出现拓扑相变（9.7 GPa）和反铁磁有序完全抑制（1.7 GPa），伴随电阻率异常和拉曼特征变化，揭示了压力诱导的结构-磁性关联。

　　

Xiao-Miao Zhao|Zhen-Yu Li|Qiu-Jun Hu|Ye-Hua Huang|Liu-Cheng Chen|Qian-Hui Mao|Dong-Wei Zheng|Jia-Yong Yu|Ke-Nan Li|Zhi-Shen Wu|Zhi-Wei Zhao|Hui-Yang Gou

河南工业大学材料科学与工程学院，中国郑州450001

摘要

在高压和高温条件下成功合成了单晶Co_1/3NbS₂，并通过结构、成分和磁学测量对其进行了系统表征。磁化测量显示，在28.4 K时发生了顺磁到反铁磁（PM-AFM）相变。在高达46.1 GPa的压力下对Co_1/3NbS₂进行了电导率、拉曼光谱和X射线衍射测量。我们观察到在4.4 GPa时电阻率温度依赖性出现异常（拐点），并且随着压力的增加，拐点向更高温度移动。2.1 GPa以上的异常电阻率与磁序的完全抑制密切相关。在9.0 GPa和15.0 GPa时，电阻率随压力的增加而变化。光谱和晶体学结果表明v₁’和v₂峰发生了红移，表明在大约9.7 GPa时可能发生了拓扑相变。此外，在15.3 GPa时材料发生了同构相变，伴随着多个拉曼峰的分裂。在23.1 GPa以上，拉曼光谱出现了突变，这与材料中的压力诱导体积变化有关。

引言

过渡金属硫属化合物（TMDs）因其独特的物理性质（包括超导性、电荷密度波（CDWs）和能带拓扑）多年来一直是各种研究的焦点[1],[2],[3],[4],[5]。将磁性3d元素插入TMD材料的范德华（vdW）层中可以形成具有不同磁性质的有序化合物[6],[7],[8],[9]。此外，磁性插入的TMDs在广泛的范围内显示出可调节的结构和组成相关的物理性质。最近的实验研究结合第一性原理计算揭示了Fe_1/4TaS₂中的显著磁各向异性效应和异常霍尔效应（AHE）[10],[11],[12]。值得注意的是，无序的Fe_xTaS₂单晶表现出巨大的磁阻效应（MR），在x = 0.28时达到60%[13]，在x = 0.297时达到140%[14]。Cr_1/3NbS₂因形成了拓扑非平凡的磁结构——手性孤子晶格（CSL）[15],[16],[17]而引起了广泛关注。Battaglia等人[18]使用角分辨光电子能谱发现Ni_1/3NbS₂发生了反铁磁转变，这与之前的磁化测量结果一致[19]。实验证据表明Mn_1/3NbS₂在低温下发生顺磁到铁磁的转变[20],[21]。第一性原理计算预测，像Cr_1/3NbS₂一样，Mn_1/3NbS₂也表现出螺旋磁性质[22]。最近的研究[23],[24],[25],[26],[27],[28]确定了Co_1/3NbS₂是一种具有小内在铁磁成分和大的异常霍尔效应（AHE）的手性晶格反铁磁（AFM）相，使其成为凝聚态物理和材料科学的焦点。

对于磁性插入的过渡金属硫属化合物，不同过渡金属元素的掺入可以有效调节其磁性和电子结构性质。此外，材料自身晶格结构的变化可以导致其物理性质的显著改变[29],[30],[31],[32],[33],[34]。在不引入杂质的情况下通过施加压力来改变晶格是一种调节材料电子结构和物理性质的清洁方法。S. Polesya等人[35]报告称Mn_1/4NbS₂在压力下表现出较大的负磁阻效应，第一性原理计算表明这种大的负磁阻效应源于场诱导的AFM-FM转变。在3–4 GPa时，Cr_1/3NbS₂的螺旋磁结构被抑制，这是由于系统的结构转变[36]。通过实验和理论研究，Wang等人[37]发现Fe_xNbS₂（x = 1/4, 1/3）在压缩下表现出晶格和磁结构的崩溃。另一方面，Nagao等人[38]报告称，与其他振动模式相比，A_1g（170.4 cm^?1）和E_2g（178.4 cm^?1）声子模式显示出显著的压敏性。这是因为静水压力减小了范德华能隙，从而改变了Fe离子的局部环境。对于Co_1/3NbS₂，热电势和电阻率测量显示在静水压力下磁序温度（TN）被抑制[39]。此外，P. Pop?evi?等人[40]观察到在大约1.7 GPa时磁序完全被抑制。因此，研究静水压力下Co_1/3NbS₂的物理性质与结构之间的相关性非常重要。然而，关于高压下Co_1/3NbS₂的综合性研究仍然很少。

在这项工作中，我们合成了高质量的Co_1/3NbS₂单晶，并系统地研究了它们的结构、振动和磁性质。然后，我们对Co_1/3NbS₂进行了原位高压电输运、拉曼光谱和X射线衍射（XRD）测量。我们对Co_1/3NbS₂的压力诱导电输运异常和相变行为进行了全面分析。

实验细节

Co_1/3NbS₂晶体是通过高压和高温（HTHP）方法制备的。使用商业购买的Co（Alfa，99.99%）、Nb（Alfa，99.99%）和S（Alfa，99.99%）粉末作为起始材料，按Co:Nb:S = 1:3:6的比例均匀混合。接下来，将混合物压制成直径为5毫米的颗粒，并在立方压砧型高压装置中以5.0 GPa和1500°C的温度下烧结2小时。Co_1/3NbS₂样品的形态特征是

结果与讨论

SEM图像（图1(a)）显示产物是单晶，并具有层状结构。样品的元素映射表明所有元素（Co、Nb和S）均匀分布，这表明Co成功掺入了NbS₂晶格中。进一步对样品进行了EDS测量以确认其化学组成。EDS结果（图1(a)）显示产物的平均Co:Nb:S原子比为10.8:30.33:58.87，这与

结论

总之，我们成功地在高温和高压下合成了单晶Co_1/3NbS_{26322。样品在TN ～28.4 K时发生了长程反铁磁有序转变。从2 K到300 K观察到近乎线性的M–H曲线。我们还进行了全面的原位高压研究}

CRediT作者贡献声明

Xiao-Miao Zhao：数据整理、形式分析、研究、初稿撰写、审阅与编辑。Zhen-Yu Li：数据整理、形式分析。Qiu-Jun Hu：数据整理、形式分析。Ye-Hua Huang：数据整理、形式分析。Liu-Cheng Chen：撰写、审阅与编辑。Qian-Hui Mao：撰写、审阅与编辑。Dong-Wei Zheng：撰写、审阅与编辑。Jia-Yong Yu：撰写、审阅与编辑。Ke-Nan Li：撰写、审阅与编辑。Zhi-Shen Wu：撰写、审阅与

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了中国自然科学基金（12304009）、河南省重点科学技术研究项目（252102231002）、河南省博士后研究启动基金（HN2025150）、河南省研发项目（HNGD2026033）、国家杰出青年科学基金（T2225027）和河南省青年科学基金项目（252300420890）的支持。本工作还得到了Synergetic的支持