本文關鍵詞：Bi基新型二維拓撲絕緣體材料的設計與研究

  更多相關文章： 二維拓撲絕緣體 第一性原理計算 拓撲相變 手征邊緣態(tài) 量子限制效應 原子橋 二維拓撲橫向異質結

【摘要】：拓撲絕緣體是一種新穎的量子態(tài),該類材料具有絕緣的體能帶電子態(tài)和受時間反演對稱性保護的導電表面態(tài),在自旋電子學,量子計算機,有效節(jié)能等方面有廣泛的應用前景。三維拓撲絕緣體由于存在大量的缺陷其電子結構難以調控；由于其材料厚度遠遠大于電場的穿透深度,因此也難以利用外場對其電子結構進行調控。雖然通過摻雜可以改變三維拓撲絕緣體的能帶結構,但這可導致其電子遷移率大大降低。二維納米結構在這方面則有較大的優(yōu)勢：二維納米材料1)具有較大的表面體積比率,可以有效降低體結構對載流子的貢獻；2)僅少量的化學摻雜就可以非常明顯地改變二維拓撲絕緣體的性質,使得實驗上更加易于操作；3)可以有效利用電磁場調控二維拓撲絕緣體載流子濃度及其它性質,并且二維納米材料有助于器件的加工與集成。因此,探索二維拓撲絕緣體納米結構顯得更加重要。近年來,以石墨烯為例的二維納米結構引起了人們廣泛的關注。目前,理論上發(fā)現(xiàn)了許多可以實現(xiàn)量子自旋霍爾效應的二維材料,如以HgTe/CdTe, InAs/GaSb為代表的量子阱,六角蜂窩狀二維材料如類Bi(111)單層,III-V族化合物,甲基修飾的Bi, Pb, Sb單層,受鏡面對稱保護以SnTe為代表的IV-VI族二維單層或薄膜拓撲晶絕緣體,可以在應力的影響下實現(xiàn)拓撲晶體絕緣體與拓撲絕緣體之間轉換的T1S, TISe單層。最近人們進一步發(fā)現(xiàn)以過渡金屬元素為主的拓撲絕緣體如X2CO2(X=Cr, Mo, W), MoS2,方形過渡金屬硫族化合物(square transition-metal dichalcogenides) MX2 (M=Mo, W; X=S, Se, Te),六角過渡金屬硫族化合物MX2(M=Mo, W; X=S, Se, Te)以及由結構畸變引起能帶翻轉的MX2(M=Mo, W; X=S, Se, Te)。近期人們又發(fā)現(xiàn)三維拓撲絕緣體Bi2Se3在向二維體系過渡的過程中,當厚度減小到幾個納米時,其能帶、自旋結構和拓撲性質都會發(fā)生根本性的改變。通過精確控制材料厚度來調節(jié)材料的參數(shù),可以得到相應拓撲絕緣的電子結構和自旋結構。與HgTe/CdTe量子阱不同的是這個能隙是隨著薄膜厚度按指數(shù)振蕩變化的。因此,這將是HgTe/CdTe量子阱之外的另一類新的準二維拓撲絕緣體材料。這類準二維體系形成的結構亦即縱向異質結結構,但是,由于縱向異質結構層之間是以較弱的范德瓦爾斯力作用的,因此,不同結構層之間的相互作用受到了一定的限制。近來,與縱向異質結構相對應的橫向異質結構引起了研究者的廣泛關注。與縱向異質結不同的是,橫向異質結之間是以更強的共價鍵連接的,這使得不同結構層之間的相互作用大大增強。本論文基于第一性原理密度泛函理論,研究了兩種二維拓撲絕緣體材料的電子結構,并構造了一種橫向異質結結構,進而發(fā)現(xiàn)了比較新奇的物理效應：本論文共分為五章：第一章,簡要介紹了拓撲絕緣體的機理,概括敘述了二維拓撲絕緣體的研究背景和現(xiàn)狀。第二章,簡單介紹了密度泛函理論的基本概念,交換關聯(lián)泛函中平面波基組與贗勢的基本框架,同時對廣義梯度近似進行了介紹。第三章,從理論上系統(tǒng)研究了以Bi(111)單層為基礎進行摻雜得到的XBi3(X= Ga, In, T1)單層結構,并對其能帶和結構變化進行了詳細分析和研究,提出了可能存在預示發(fā)生拓撲相變的能帶翻轉。通過對材料進行Z2拓撲不變量計算肯定了GaBi3 與 InBi3分別為具有較大帶隙的二維拓撲絕緣體。通過構造納米帶結構我們得到了具有手征性的導電邊緣態(tài),并且研究了拓撲體效應和量子限制效應對于手征邊緣態(tài)形成的影響,并利用應力研究了拓撲體效應和量子限制效應的競爭關系。此外,通過研究應力對于帶邊態(tài)電子費米速度的影響,我們提出了在材料足夠長并保證拓撲性質的前提下,拉力更有利于電子的遷移。第四章,以大帶隙GaBi單層為基礎,我們構造了T-Ga2Bi2單層,研究發(fā)現(xiàn)結構的變化使得T-Ga2Bi2體系的穩(wěn)定性大大提高,并且在Γ點處的帶隙增加至1.477eV。由于能帶翻轉的強度預示著材料拓撲性的強度,此處的超大帶隙表明T-Ga2Bi2材料具有極高的拓撲保護性,同時,這一特征還表現(xiàn)在當T-Ga2Bi2納米帶寬度僅有1.7nm時,體系仍然保持良好的線性邊緣態(tài)。進一步研究發(fā)現(xiàn)以BN可以作為T-Ga2Bi2良好的基底,而應力對于T-Ga2Bi2結構的影響極小。通過構造納米結構的氧原子橋,我們在納米帶內部構造了一維導電態(tài),并且發(fā)現(xiàn)氧原子橋兩邊T-Ga2Bi2結構的對稱性對于導電態(tài)的散射結構有極大的影響：當結構為反對稱時,一維導電態(tài)是拋物線型散射結構。而對稱結構時,一維導電態(tài)具有手征性的線性散射結構,此時的導電態(tài)受體系的拓撲保護,為拓撲絕緣體中熟知的“單向導電通道”。最后我們構造了T-Ga2Sb2/T-Ga2Bi2/T-Ga2Sb2橫向異質結結構,并且發(fā)現(xiàn)雖然T-Ga2Sb2不是拓撲絕緣體,但是當形成上述的橫向異質結時,T-Ga2Sb2由于近鄰效應(Proximity effect)而發(fā)生了拓撲相的轉變,這與2013年人們在Sb2Se3/Bi2Se3/Sb2Se/縱向異質結中發(fā)現(xiàn)的效應具有類似的情況。第五章,對論文進行了總結,并對以后的工作進行了展望。拓撲絕緣體不僅在概念上提高了我們對凝聚態(tài)物質的認識,它本身新奇的物理效應更是引起了人們的關注,并且由拓撲絕緣體與其他具有奇異性質的材料,如超導,鐵磁材料形成的橫向或縱向異質結有可能會出現(xiàn)新奇的物理效應。
【學位授予單位】：山東大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TQ135.32

【相似文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 董海龍;李華昌;;原子吸收光譜法測定銅陽極泥中Bi的不確定度評定[J];分析試驗室;2007年07期

2 李特新,劉玉龍,莫育俊,雷潔,茍增光;用表面增強拉曼散射探測Bi~(3+)離子對表面絡合物的作用[J];科學通報;1992年22期

3 王開泰,方向宇,周志龍,杜新民,陳幼新,沈定坤;用玻璃拉絲法制備 Bi 系超導線材[J];無機材料學報;1993年02期

4 奚正平,周廉,冀春霖;Bi系超導相的高溫行為[J];科學通報;1992年02期

5 張青科;鄒鶴飛;張哲峰;;SnBi/Cu界面Bi偏聚機制與時效脆性抑制[J];中國科學:技術科學;2012年01期

6 鐘金魁,董文魁,許力;BI沸石對氨氮的吸附與解吸[J];蘭州交通大學學報;2004年04期

7 易建春;趙朝輝;汪彤蕓;;地調樣品中痕量Bi的測試方法比較[J];礦產綜合利用;2009年05期

8 何洪文;徐廣臣;郭福;;電遷移促進Cu/Sn-58Bi/Cu焊點陽極界面Bi層形成的機理分析[J];焊接學報;2010年10期

9 宋仲容;何家洪;匡海艷;徐強;;Bi(Ⅲ)-茜素紅-十六烷基三甲基溴化銨體系共振散射光譜法測定環(huán)境水樣中痕量鉍[J];應用化學;2010年12期

10 華佩文，周貽茹，，曾榮，張永峰，付雪奎，王敬，袁冠森;銀包套Bi（2223）帶材新工藝探索[J];稀有金屬;1995年06期

中國重要會議論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 姜建功;李齊;章佩君;馮端;;Bi系超導體中界面的高分辨電子顯微術研究[A];第六次全國電子顯微學會議論文摘要集[C];1990年

2 王燕;王秀峰;田清泉;;Bi_2O_3-SiO_2系統(tǒng)熔融特性對Bi_(12)SiO_(20)多晶體合成的影響[A];2006年全國功能材料學術年會專輯[C];2006年

3 房國麗;張剛;江涌;陸有軍;;Bi和Bi_2O_3納米結構的電化學合成[A];中國空間科學學會空間材料專業(yè)委員會2011學術交流會論文集[C];2011年

4 楊青慧;張懷武;劉穎力;文岐業(yè);;Bi：YIG納米薄膜的磁光特性[A];《硅酸鹽學報》創(chuàng)刊50周年暨中國硅酸鹽學會2007年學術年會論文摘要集[C];2007年

5 陳廷國;張留碗;陳源;;Bi系超導體氧行為的內耗研究[A];內耗與超聲衰減——第四次全國固體內耗與超聲衰減學術會議論文集[C];1994年

6 卓毅;胡全利;鮮于澤;孫頂戰(zhàn);王金星;黃振威;;制備Bi系超導體的新工藝[A];首屆中國功能材料及其應用學術會議論文集[C];1992年

7 陳源;謝曉明;陳廷國;;摻鉛Bi系超導體的內耗研究[A];內耗與超聲衰減——第三次全國固體內耗與超聲衰減學術會議論文集[C];1991年

8 孫秀泉;高波;張正軍;鄭新亮;申慶彪;韓銀錄;卡里布努爾;;質子誘發(fā)~(209)Bi核反應微觀散射截面的理論計算與核廢料處理和核安全設計[A];西部大開發(fā) 科教先行與可持續(xù)發(fā)展——中國科協(xié)2000年學術年會文集[C];2000年

9 梁景志;陳紅雨;李愛菊;吳穎民;李偉善;陳順;張偉;唐明成;竇傳龍;王全;王輝;羅祥;;摻Bi對Pb-Ca-Sn-Al合金電化學行為的影響[A];第十三次全國電化學會議論文摘要集（下集）[C];2005年

10 孫磊;趙U

本文編號：1183455