自旋軌道耦合作用是一種由粒子的自旋與軌道動量的相互作用引起的軌道能級上的“細小”分裂。該作用可以誘導出許多新奇的量子現(xiàn)象,如拓撲表面態(tài),Rashba效應,p波超導體等。在壓力作用下,許多具有強自旋軌道耦合作用的材料,如二元拓撲絕緣體,Rashba化合物等,出現(xiàn)了更多的新奇的物理性質,如超導電性,拓撲電子結構相變等,更為重要的是很多物性都具有非常巨大的潛在應用價值。本論文利用高壓實驗技術,系統(tǒng)的研究了幾種不同類型的強自旋軌道耦合材料在高壓下的結構和物理性質。具體材料體系有拓撲非平庸材料(如狄拉克半金屬、拓撲絕緣體),以及拓撲平庸的材料(如寬禁帶半導體)等。取得了如下創(chuàng)新性研究成果:(一)對3D狄拉克半金屬Cd_3As_2的單晶進行了高壓下的結構和物性研究。發(fā)現(xiàn)在低壓力下,Cd_3As_2單晶電阻呈現(xiàn)出不同于常壓金屬態(tài)的絕緣體行為。在8.5 GPa時,出現(xiàn)了T_c≈2.0 K的超導電性,隨著壓力進一步增加到21.3 GPa時T_c增加到4.0 K。同時發(fā)現(xiàn)超導轉變溫度在測得的最高壓力前表現(xiàn)出異常恒定的數(shù)值。同步輻射x射線衍射表明晶體結構在3.5 GPa左右存在一個結構相變。壓力下T_c保持恒定的數(shù)值和H_(c2)—溫度線性依賴,以及晶體結構對稱性的降低,說明Cd_3As_2在高壓下觀察到的超導電性可能具有拓撲性。上述實驗結果表明Cd_3As_2是一個拓撲超導體的候選者。(二)三維四元拓撲絕緣體BiSbTeSe_2相對與二元拓撲絕緣體,具有能隙更大的體態(tài),是研究拓撲絕緣體的一個理想材料。通過對三維四元拓撲絕緣體BiSbTeSe_2的電阻、霍爾系數(shù)和晶體結構的高壓測量,發(fā)現(xiàn)了壓力誘導的兩個超導相。第一個超導相SC I出現(xiàn)在3.2 GPa,T_c約為7 K,隨著壓力變化表現(xiàn)出基本恒定的數(shù)值,并且表現(xiàn)出了超導的各向異性。當壓力繼續(xù)增加時,在9.6 GPa出現(xiàn)第二個超導相SC II。該超導相在13.3 GPa時出現(xiàn)了明顯的超導躍遷,T_c為2.7 K。SC II相T_c的最大值出現(xiàn)在22 GPa,約為9.5 K。原位高壓同步輻射XRD分別在10.1 GPa和28.2 GPa觀察到了兩種晶體結構相變。霍爾系數(shù)測量表明,載流子的類型在3.2 GPa左右時(即SC I相出現(xiàn))由n型轉變?yōu)閜型,在9.6 GPa(第一次晶體結構相變)變回n型。最終,我們得到了BiSbTeSe_2在50.5 GPa壓力作用內的壓力溫度相圖。(三)進行了寬禁帶半導體Sb_2S_3和Bi_2S_3高壓下的和結構物性研究。結果顯示Sb_2S_3單晶在17 GPa和35 GPa觀察到了壓力誘導的絕緣體-金屬相變和超導相變。同時確認Sb_2S_3在5 GPa左右既沒有壓力誘導的二階等結構相變,也沒有的電子拓撲相變。此外發(fā)現(xiàn)超導轉變溫度與壓力成正比,在98.9 GPa時,T_c達到最高值9.7 K。同步輻射x射線衍射結果表明在15.1 GPa左右有晶體結構相變,這與絕緣體-金屬相變的發(fā)生壓力相對應。電阻在18.1 GPa左右的“V”形變化可能意味著發(fā)生了電子拓撲相變。通過對Bi_2S_3的高壓電學及晶體結構的研究,發(fā)現(xiàn)在壓力的作用下分別在18.7 GPa和49.4 GPa發(fā)生了絕緣體-金屬轉變和超導轉變。超導轉變溫度與壓力成正比,在152 GPa時,達到10.9 K。同步輻射x射線衍射結果表明,在55.2GPa以內沒有發(fā)生晶體結構相變。經(jīng)過理論計算,推測絕緣體-金屬相變可能是由于層間滑移和S缺位引起的。
【學位單位】：中國科學院大學(中國科學院物理研究所)
【學位級別】：博士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：O413;TB302
【部分圖文】：

圖 1.1 QH 和 QSH 效應之間的類比Figure 1. 1 an analogy between QH and QSH effects二維 QSH 狀態(tài)大致可以等效為兩個 QH 狀態(tài)的副本，其中自旋相反的狀態(tài)在邊緣反向傳播，如圖 1.1 所示。一個自然而然的問題是，QSH 狀態(tài)的邊緣狀態(tài)是否穩(wěn)定。Kane 和 Mele 表明，穩(wěn)定性依賴于邊緣狀態(tài)對的數(shù)量。奇數(shù)對是穩(wěn)定的，而偶數(shù)對不是穩(wěn)定的[45]。這一發(fā)現(xiàn)使得 Kane 和 Mele 提出了時間反演不變二維絕緣子的 Z2 分類。此外，他們還設計了一種精確的算法來計算拓撲帶理論(TBT)中的 Z2 拓撲不變量。Fu 和 Kane[26]、摩爾和巴倫茨[20]很快將 TBT 擴展到3D，其中 16 個拓撲不同的狀態(tài)是可能的。這些狀態(tài)大部分可以看作是疊加的二維 QSH 絕緣子平面，但其中一個強拓撲絕緣體是真正的三維�；� TBT 的拓撲分類只適用于非相互作用的系統(tǒng)，目前還不清楚這些狀態(tài)在包括相互作用在內的[21]

強自旋軌道耦合材料的壓力效應研究們推動了這一系列最新進展。此時，基于 TBT 和拓撲場論的兩種，形成了統(tǒng)一的理論框架。維拓撲絕緣體HgTe/CdTe量子阱中發(fā)現(xiàn)量子自旋霍爾狀態(tài)，即二維拓撲絕緣體。s 和張等人[22]開始在半導體中尋找具有“倒”電子隙的量子自旋霍了 HgTe/CdTe 量子阱中的量子相變是量子阱厚度 dQW的函數(shù)。預為 dQW<dc 的常規(guī)絕緣體，dQW>dc 為單對螺旋邊緣狀態(tài)的量子自，其中 dc 為臨界厚度。Ko¨nig 等人[23]首次實驗證實了 HgTe/CdTe量子自旋霍爾態(tài)。

圖 1.3 Bi2Se3的晶體結構(a)Bi2Se3的晶體結構紅色框表示含有 Se1-Bi1-Se2-Bi1’-Se1’的五倍層。(b)沿 z 方俯視圖。一個五層結構中的三角形晶格有三個不對稱位置，分別用 A、B、示。(c)五層結構的側視圖。[28]Figure 1. 3 Crystal structure of Bi2Se3(a) Crystal structure of Bi2Se3with three primitive lattice vectors denoted by t1;2;3. Aquintuple layer with Se1-Bi1-Se2-Bi1’-Se1’s indicated by the red box. (b) Top vialong the z direction. Triangular lattice in one quintuple layer has three inequivalpositions, denoted by A, B, and C. (c) Side view of the quintuple layer structure.[單狄拉克錐表面狀態(tài)的存在。拓撲表面狀態(tài)的存在是拓撲絕緣體最重
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本文編號：2839029