發(fā)布時間：2020-04-05 00:40

【摘要】：拓撲絕緣體有很多的新穎的性質(zhì)。這些性質(zhì)可能在拓撲量子計算和自旋電子學上有巨大的應用。拓撲絕緣體的表面上的電子的自旋和角動量是垂直鎖定的,這會受到時間反演對稱性的保護。電子在表面上運輸時,電子的能量是無耗散的,這在電子器件上有很大的潛在應用。在第一章,本文主要介紹了霍爾效應,量子自旋霍爾絕緣體以及三維拓撲絕緣體的研究進展和理論知識。在第二章,本文介紹了密度泛函理論,聲子譜計算的理論推導過程,同時介紹了VASP計算軟件包的功能。在第三章,本文介紹了我們的量子自旋霍爾絕緣體的研究結果。在理論上和實驗上預言和發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定的大帶隙的量子霍爾絕緣體是非常重要的。根據(jù)第一性原理計算,我們發(fā)現(xiàn)未經(jīng)化學修飾的As(110)和Sb(110)薄膜是呈現(xiàn)金屬態(tài)的,它們沒有帶隙。我們用H原子和鹵族元素(Cl和Br)來化學修飾As(110)和Sb(110)薄膜�；瘜W修飾后,X-D薄膜(X=As Sb和D=H Cl Br)變成了穩(wěn)定的大帶隙的量子霍爾絕緣體。計算時加入自旋軌道耦合后,這些X-D薄膜的帶隙的范圍是0.121eV到0.304eV。大帶隙使量子霍爾絕緣體材料可以應用到室溫的器件中,這個帶隙是來源于自旋軌道耦合相互作用。當調(diào)節(jié)自旋軌道耦合強度時,可以發(fā)現(xiàn)所有這些薄膜的帶隙和自旋軌道耦合強度呈線性關系。計算X-D薄膜的納米帶的能帶結構時,觀察到了這些材料的邊界態(tài)。波函數(shù)的實空間的投影的計算結果表明所有這些X-D薄膜的邊界態(tài)的穿透深度都大約是1nm。通過計算發(fā)現(xiàn)這六種X-D薄膜的_(Z2)的拓撲不變量(ν)為1,這進一步表明X-D薄膜是量子自旋霍爾絕緣體。在第四章,本文介紹了磁性元素對拓撲絕緣體表面電子態(tài)的磁調(diào)控。為了實現(xiàn)拓撲磁電效應,需要引入時間反演對稱性破缺,打開表面態(tài)的帶隙。我們用磁性原子Mn和Eu替換中Pb_2Bi_2Se_5的Pb原子,然后把X_2Bi_2Se_5與Bi_2Se_3結合形成異質(zhì)結。通過這樣方式,可以打開Bi_2Se_3的表面態(tài)的帶隙。通過第一性原理計算,發(fā)現(xiàn)磁性超晶格X_2Bi_2Se_5是大帶隙的反鐵磁結構。在有SOC的情況下,Mn_2Bi_2Se_5和Eu_2Bi_2Se_5的帶隙分別為0.249eV和0.189eV。通過計算兩種異質(zhì)結的能帶結構,可以發(fā)現(xiàn)Mn_2Bi_2Se_5與Bi_2Se_3結合形成的異質(zhì)結的帶隙被打開了,帶隙為0.016eV。異質(zhì)結Eu_2Bi_2Se_5/Bi_2Se_3的帶隙為0.012eV。
【圖文】：

效應是由霍爾在 年第一次發(fā)現(xiàn)的 ]�；魻栃侵福瑢Я鞯那闆r下，垂直磁場的存在會在導體的縱向方向產(chǎn)生電壓，作霍爾電壓，如圖 - (a)所示。在一個非磁性的材料中，霍爾磁場。這是來源于電荷載流子在洛倫茲力的影響下發(fā)生偏轉(zhuǎn)造壓于傳輸?shù)碾娏鞯谋戎稻褪腔魻栯娮�。霍爾電阻與磁場的關系子的類型和載流子密度。這種基本的霍爾效應可以被利用來探質(zhì)。這也是工業(yè)界廣泛用來測量磁場的方法。在基本霍爾效應快在鐵磁材料上嘗試了類似的實驗。他發(fā)現(xiàn)，在低磁場下，磁賴關系呈現(xiàn)了不尋常的很大的斜率。這種不尋常的大的霍爾效的磁化，這個現(xiàn)象就是后來大家熟知的反�；魻栃� ]。當不材料仍然保持它的磁性，所以在零磁場的情況下，仍然可以觀，如圖 - (b) 所示。

3 HgTe 量子阱實驗。(a)HgTe 量子阱結構。(b)隨著層厚的增加，2 維量子阱的反轉(zhuǎn)點相交。反轉(zhuǎn)的能態(tài)是螺旋邊緣態(tài)。(c)表面態(tài)中的自旋鎖定。(d)電導系圖，門電壓用來調(diào)節(jié)穿過體帶隙的 Fermi 能級。對于樣品Ⅰ，當 時的，然而樣品Ⅲ和Ⅳ顯示了與邊界態(tài)相關的量子化傳輸性質(zhì)。圖引用自文獻 (a) he .g e quantum well structure. (b) he band inversion of .g e quantum win locking of the edge states. (d) The relationship between conductance and gate vo墨烯是由碳元素組成的，然而碳的原子序數(shù)小，SOC 相互作用非常元素周期表中尋找自旋軌道相互強的元素來構造量子自旋霍爾絕緣
【學位授予單位】：上海交通大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TM21

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本文編號：2614287