物質・材料研究機 共用基盤部門 強磁場共用ステーション 2008 年度 ...

非 磁 性 半 導 体 black SmS の 磁 場 による 金 属 化
Magnetic field induced metallization of nonmagnetic semiconducting phase of SmS
名 大 院 理 井 村 敬 一 郎 、 出 口 和 彦 、 佐 藤 憲 昭
K. Imura, K. Deguchi, N. K. Sato
Nagoya University
東 大 物 性 研 松 林 和 幸
K. Matsubayashi
ISSP The Univ. of Tokyo
物 質 ・ 材 料 研 究 機 構 鈴 木 博 之 、 高 増 正 、 今 中 康 貴 、 竹 端 寛 治
H. S. Suzuki, T. Takamasu, Y. Imanaka, K. Takehana
National Institute for Materials Science
Abstract:
We measured the electrical resistivity and Hall coefficient of nonmagnetic semiconducting phase of SmS under pressure
and in high magnetic field. We observed magnetic field induced metallization. The transport gap E g decreases with applying
pressure and/or magnetic field. We argue that magnetic field plays a similar role to pressure in the transport gap.
Keywords: SmS, metal insulator transition, high pressure, transport property
E-mail: imura@mlab2.phys.nagoya-u.ac.jp, kensho@cc.nagoya-u.ac.jp
1. はじめに
SmS は、 圧 力 誘 起 絶 縁 体 ・ 金 属 転 移 を 示 す 典 型 物 質
として 知 られる [1]。 低 圧 相 (P < Pc ~ 7 kbar)は black
phase と 呼 ばれ、4f 6 (J = 0) で 指 定 される 非 磁 性 半 導 体
であると 考 えられている。 電 気 抵 抗 から 評 価 されるエ
ネルギーギャップ E g は、 常 圧 において 1000 K 程 度 で
あり、 加 圧 とともに 減 少 することが 知 られている。 高
圧 相 (golden phase, P > P c1 で 発 現 )への 1 次 相 転 移
(black – golden 相 転 移 )は、E g の 消 失 と 関 わりがある
と 考 えられている。black phase は 単 純 な 非 磁 性 半 導 体
であるとされながらも、Konczykowski らにより、( 不
純 物 効 果 によるとされる) 巨 大 な 負 の 磁 気 抵 抗 が 観 測
されていた [2]。 今 回 我 々は、2つの 外 部 パラメータ
( 圧 力 と 磁 場 : 実 験 的 に 圧 力 は 不 連 続 にしか 制 御 でき
ないが、 磁 場 は 連 続 的 制 御 が 可 能 である。)を 用 いて、
E g の 変 化 を 調 べた。
(a)
(cm)
10 -1
7
6
5
4
3
10 -2 2
7
6
5
4
H = 0 T
5
10
15
SmS
P = 4.5 kbar
2. 実 験 方 法
測 定 には、ブリッジマン 法 で 育 成 した SmS 単 結 晶 を
用 いた。 圧 力 の 発 生 には、 外 径 25φのピストンシリン
ダー 型 の 圧 力 セルを 用 いた。 低 温 における 発 生 圧 力 の
評 価 には、Pb の 超 伝 導 転 移 温 度 の 圧 力 依 存 性 を 用 いた。
輸 送 現 象 の 測 定 には、 直 流 van der Pauw 法 を 用 い、 電
気 抵 抗 と Hall 効 果 の 測 定 を 同 時 に 行 った。 磁 場 の 発 生
にはハイブリッドマグネットを 用 い、 一 定 磁 場 中 での
温 度 依 存 を 測 定 した。また、15 T 超 伝 導 マグネットを
用 い、 低 磁 場 における 測 定 も 合 わせて 行 った。 測 定 圧
力 は 4.5 kbar である。
(b)
R H
(cm 3 /C)
0.0
-0.5
-1.0
-1.5
H = 25 T
20
15
10
3
-2.5
0 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 100
T (K)
T (K)
Fig.1 Temperature dependence of (a) electrical resistivity and (b) Hall coefficient at 4.5 kbar in
selected magnetic field.
10 -3 2
20
25
- 25 -
-2.0
5
SmS
P = 4.5 kbar