Tenseur de mobilité et magnétothermoélectricité anisotrope de bismuth

Bismuth Fermi surface is composed of one parabolic hole pocket and three equivalent Dirac electrons valleys. The electrons effective mass is low (m* ~ 10-3 me) and very anisotropic (m1 ~ 200 m2). These exceptional electronic properties, combined with a very low carrier density (n=3.10-17 cm-3) and a very large mobility (µ ~ 108 cm2/V/s) imply that bismuth magnetoresistance is very large and very sensitive to the orientation of the magnetic field. During this thesis, we mapped in temperature and magnetic field the angular dependence of transverse magnetoresistance in the three high symmetry planes. Our datas are then fitted by a semi-classical model. This permits to examine the relevance of the semi-classical theory and to extract the mobility tensors components. We find that all mobility tensor components have a temperature dependence close to a T-2, which suggests that the electron-electron interaction is the main diffusion mechanism. At low temperature and high magnetic field, a phase transition induces the loss of the lattice rotational symmetry in angular dependence magnetoresistance measurement. The angular dependence of magneto-Seebeck effect shows the same oscillations as magnetoresistance. Their explanation requires to go beyond the semi-classical model. Finally, magnetic field dependence and anisotropy of thermoelectric power and thermoelectric figure of merit of pure bismuth and a bismuth-antimony alloy are studied.La surface de Fermi du bismuth est composée d'une poche de trous parabolique et de trois vallées d'électrons de Dirac équivalentes à une rotation près. Leur masse effective est faible (m* ~ 10-3 me) et très anisotrope (m1 ~ 200 m2). Ces propriétés électroniques remarquables, combinées à une densité de porteurs très faible (n=3.10-17 cm-3) et une très grande mobilité (µ ~ 108 cm2/V/s), impliquent que la magnétorésistance du bismuth est très grande et très sensible à l'orientation du champ magnétique. Au cours de cette thèse, nous avons réalisé la cartographie en température et champ magnétique de la dépendance angulaire de la magnétorésistance transverse dans les trois plans de haute symétrie. Nous avons ensuite confronté nos données aux attentes du modèle semi classique. Cela a permis de vérifier la pertinence du modèle semi-classique d'une part et d'extraire les composantes du tenseur de mobilité d'autre part. Nous trouvons que toutes les composantes du tenseur de mobilité suivent une dépendance en température qui est proche de T-2, suggérant la prédominance de l'interaction électron-électron. Une transition de phase au cours de laquelle la dépendance angulaire de la magnétorésistance perd la symétrie rotationnelle du réseau cristallin a été mise en évidence. L'étude de la dépendance angulaire de l'effet magnéto-Seebeck a révélé des oscillations similaires à celles de la résistivité. Leur explication nécessite d'aller au-delà du modèle semi-classique. Finalement, l'anisotropie et l'évolution avec le champ magnétique du pouvoir thermoélectrique et de la figure de mérite du bismuth pur et d'un alliage d'antimoine sont étudiées

Angle dependence of the orbital magnetoresistance in bismuth

We present an extensive study of angle-dependent transverse magnetoresistance in bismuth, with a magnetic field perpendicular to the applied electric current and rotating in three distinct crystallographic planes. The observed angular oscillations are confronted with the expectations of semi-classic transport theory for a multi-valley system with anisotropic mobility and the agreement allows us to quantify the components of the mobility tensor for both electrons and holes. A quadratic temperature dependence is resolved. As Hartman argued long ago, this indicates that inelastic resistivity in bismuth is dominated by carrier-carrier scattering. At low temperature and high magnetic field, the threefold symmetry of the lattice is suddenly lost. Specifically, a $2\pi/3$ rotation of magnetic field around the trigonal axis modifies the amplitude of the magneto-resistance below a field-dependent temperature. By following the evolution of this anomaly as a function of temperature and magnetic field, we mapped the boundary in the (field, temperature) plane separating two electronic states. In the less-symmetric state, confined to low temperature and high magnetic field, the three Dirac valleys cease to be rotationally invariant. We discuss the possible origins of this spontaneous valley polarization, including a valley-nematic scenario.Comment: 15 pages, 14 figure

Mobility tensor and anisotropic magnetothermoelectricity of bismuth

La surface de Fermi du bismuth est composée d'une poche de trous parabolique et de trois vallées d'électrons de Dirac équivalentes à une rotation près. Leur masse effective est faible (m* ~ 10-3 me) et très anisotrope (m1 ~ 200 m2). Ces propriétés électroniques remarquables, combinées à une densité de porteurs très faible (n=3.10-17 cm-3) et une très grande mobilité (µ ~ 108 cm2/V/s), impliquent que la magnétorésistance du bismuth est très grande et très sensible à l'orientation du champ magnétique. Au cours de cette thèse, nous avons réalisé la cartographie en température et champ magnétique de la dépendance angulaire de la magnétorésistance transverse dans les trois plans de haute symétrie. Nous avons ensuite confronté nos données aux attentes du modèle semi classique. Cela a permis de vérifier la pertinence du modèle semi-classique d'une part et d'extraire les composantes du tenseur de mobilité d'autre part. Nous trouvons que toutes les composantes du tenseur de mobilité suivent une dépendance en température qui est proche de T-2, suggérant la prédominance de l'interaction électron-électron. Une transition de phase au cours de laquelle la dépendance angulaire de la magnétorésistance perd la symétrie rotationnelle du réseau cristallin a été mise en évidence. L'étude de la dépendance angulaire de l'effet magnéto-Seebeck a révélé des oscillations similaires à celles de la résistivité. Leur explication nécessite d'aller au-delà du modèle semi-classique. Finalement, l'anisotropie et l'évolution avec le champ magnétique du pouvoir thermoélectrique et de la figure de mérite du bismuth pur et d'un alliage d'antimoine sont étudiées.Bismuth Fermi surface is composed of one parabolic hole pocket and three equivalent Dirac electrons valleys. The electrons effective mass is low (m* ~ 10-3 me) and very anisotropic (m1 ~ 200 m2). These exceptional electronic properties, combined with a very low carrier density (n=3.10-17 cm-3) and a very large mobility (µ ~ 108 cm2/V/s) imply that bismuth magnetoresistance is very large and very sensitive to the orientation of the magnetic field. During this thesis, we mapped in temperature and magnetic field the angular dependence of transverse magnetoresistance in the three high symmetry planes. Our datas are then fitted by a semi-classical model. This permits to examine the relevance of the semi-classical theory and to extract the mobility tensors components. We find that all mobility tensor components have a temperature dependence close to a T-2, which suggests that the electron-electron interaction is the main diffusion mechanism. At low temperature and high magnetic field, a phase transition induces the loss of the lattice rotational symmetry in angular dependence magnetoresistance measurement. The angular dependence of magneto-Seebeck effect shows the same oscillations as magnetoresistance. Their explanation requires to go beyond the semi-classical model. Finally, magnetic field dependence and anisotropy of thermoelectric power and thermoelectric figure of merit of pure bismuth and a bismuth-antimony alloy are studied