一直以来，大磁电阻的材料由于其在基础研究和器件应用中所起的重要作用而倍受关注。半个世纪来，研究发现材料的经典磁电阻随外磁场具有二次方关系，在大磁场下，磁电阻趋于饱和。特殊的是，非饱和线性磁电阻可能存在于具有开放费米面材料中。在能隙接近零（或较小）的半导体材料中发现多种有趣的磁电阻现象，如在银掺杂Ag_2+δSe和Ag_2+δTe材料中发现反常大的线性磁电阻，很多理论试图解释这种非饱和线性磁电阻。在这些理论模型中，由Abrikosov等提出的“量子磁电阻”及由Parish和Littlewood提出的经典物理模型最为典型。Abrikosov等认为零能隙半导体因为只有一个朗道能级而在大磁场下具有量子限制，从而可能产生非饱和磁电阻。Parish和Littlewood则认为材料的非均匀性导致的电流涨落可能导致非饱和磁电阻。在过去几年，由于拓扑绝缘体具有零能隙狄拉克表面态，拓扑绝缘体材料的磁电阻引起越来越多研究者关注。一些研究者在拓扑绝缘体单晶、薄膜、纳米片等材料中发现线性磁电阻。他们认为单晶材料的线性磁电阻来源于材料二维无能隙拓扑表面态。另外，也有研究认为即使在单晶或薄膜材料中，电子不均匀和导电性涨落也是影响线性磁电阻的重要因素。直到现在，拓扑绝缘体材料中线性磁电阻的确切因素还不十分清楚。

　　最近，沈阳材料科学国家(联合)实验室磁性材料与磁学研究部王振华项目研究员、张志东研究员等和美国凯斯西储大学高翾教授合作，通过气相化学沉积(CVD)的方法成功制备了Bi₂Te₃薄膜，研究发现这些薄膜材料是由Bi2Te3纳米片连接而成。通过控制温度、气压、输运气体流量等条件，可以控制制备不同尺寸纳米片及不同纳米片密度的薄膜材料。如图1所示，Bi₂Te₃薄膜可以由不同密度及尺寸的纳米片组成。和其他拓扑绝缘体材料一样，在该体系中发现线性磁电阻现象。如图2所示，在很大温度范围内，即使外场加到14T，仍显示不饱和趋势。通过研究不同致密度的薄膜材料，发现在很大迁移率范围内，线性磁电阻和材料迁移率间存在普遍关系，即同一材料中，磁电阻和迁移率都随温度增加而减小（图3左）。而不同致密度薄膜材料中，磁电阻和迁移率成正比关系，而且磁电阻越小，迁移率也越小（图3右）。这些结果说明迁移率的涨落导致了典型线性磁电阻，这与Parish和Littlewood提出的理论完全吻合。有关Bi₂Te₃薄膜的研究结果提供了明确证据，证实材料物理上或结构上不均匀性是线性磁电阻的来源，并且为控制拓扑绝缘体材料磁电阻提供新的方法。相关研究结果发表在Nano Letter  14 (2014) 6510。

图1、典型Bi₂Te₃薄膜的扫描电镜照片

图2、不同温度下典型Bi₂Te₃薄膜线性磁电阻与外磁场关系

图3、左：Bi₂Te₃薄膜迁移率和磁电阻随温度变化关系。右：不同Bi₂Te₃薄膜的迁移率和磁电阻关系。