本文選題：Dirac　切入點：Fermi子　出處：《南京大學》2016年博士論文

【摘要】：自從2004年Geim和Novoselov等人利用微機械剝離的方法成功制備原子厚度碳薄層以來,碳單層迅速成為凝聚態(tài)物理以及材料物理等學科的新星。碳單層具有簡單的晶格結構,豐富的物理性質,對未來的半導體工業(yè)有著潛在的應用價值。不同于常規(guī)半導體材料中的Schrodinger電子,碳單層中的載流子被稱為Dirac Fermi子,遵循相對論性的Dirac方程。這為廣大研究者們開拓了一個新的領域。近幾年來,除了碳單層以外,人們也逐漸探索其它具有相對論性Dirac Fermi子的系統(tǒng),導致許多新的二維材料不斷涌現(xiàn)。無論是在晶格結構還是能帶結構上,這些新的材料都存在著明顯的差異。許多不同于碳單層的新奇的物理性質使得這些低維材料也為未來自旋-谷電子學、能帶拓撲學、光電子學等領域開拓了廣闊的應用前景。在本論文中,我們主要研究多種二維系統(tǒng)在外場調控下Dirac Fermi子所展現(xiàn)出的有趣的能譜和輸運性質。研究的主要問題包括碳單層中Dirac電子在準周期超晶格中的自相似行為,Lieb晶格中贗自旋為1的Dirac Fermi子在周期勢壘下的透射和能譜,扭轉的碳雙層中Dirac電子在正常導體／超導體結界面所表現(xiàn)出的特殊Andreev反射,以及硅單層中Dirac電子在垂直電場和非共振光場共同作用下的反常熱磁效應。論文的具體安排如下：在第一章中,我們簡要介紹了碳單層以及一些衍生材料包括Lieb晶格、扭轉的碳雙層、硅單層等的晶格和能帶結構,以及Dirac Fermi子所具有的一些特殊的拓撲和輸運性質,然后給出了本論文中所用到的主要理論方法。在第二章中,我們研究了碳單層中的Dirac電子在Thue-Morse準周期勢下新奇的電子行為。我們發(fā)現(xiàn),不同于常規(guī)的Schrodinger電子,在碳單層中Dirac電子透射譜中的一些準周期特性,例如自相似和三分叉行為,僅僅顯示在斜入射的情況；在常規(guī)的Dirac點附近出現(xiàn)了額外的Dirac點,它們的位置僅僅和第二代的Thue-Morse序列有關,并且數(shù)目是周期超晶格的兩倍；Thue-Morse準周期結構中的波函數(shù)在Dirac點位置處發(fā)生從臨界態(tài)到擴展態(tài)的轉變；電子在額外的Dirac點處會完全透射,這樣的超準直效應可以用來探測Dirac點的數(shù)目和位置。在第三章中,我們研究了贗自旋為1的Dirac Fermi子在Lieb光學超晶格中的輸運行為。研究表明,不同于碳單層超晶格中零平均波數(shù)帶隙,在Lieb超晶格中存在一個零平均波數(shù)的通帶,其位置為勢壘臺階一半。通過改變Lieb晶格中子格的在位能,通帶會轉變成為一個全帶隙,因此,全方向的透射轉變成全方向的反射,粒子傳導狀態(tài)從開態(tài)變到關態(tài)。這些結果可以為一些光學或電學器件提供理論依據。在第四章中,我們利用Dirac-Bogoliubov-de Gennes方程和Blonder-Tinkham-Klapwijk理論研究了扭轉的碳雙層中正常導體/超導體結的Andreev反射。在扭轉的碳雙層中,其能帶結構有一個從線性到拋物型的轉變過程,這與系統(tǒng)的Berry相位息息相關。我們發(fā)現(xiàn)在低能的線性區(qū),鏡面的Andreev反射有一個明顯的增強,微分電導為碳單層的兩倍,展現(xiàn)了碳單層的手征性行為。而在高能區(qū),旋量為27r Berry相的波函數(shù)導致電導完全被抑制。不同手征性的轉變點正好對應于系統(tǒng)的van Hove奇點的位置。從這些結果可以看出,扭轉的碳雙層具有非常靈活且可控的輸運性質。在第五章中,我們研究了硅單層中Dirac Fermi子在非共振光和垂直電場共同調控下的反常Nernst效應。我們提出,通過測量反常的Nernst電導,硅單層中豐富的拓撲相在室溫下也可以被表征出來,而相邊界可以通過對電荷和自旋Nernst電導求微分來確定。通過調節(jié)外加電場或者光場,還可以獲得完全自旋極化、谷極化,甚至單谷-單自旋極化的Nernst電流。類似的研究也可以拓展到鍺單層以及錫單層中去,最后我們還對于這幾種材料的反常熱磁品質因子做了比較。在最后一章中,我們對已取得的研究成果做一個總結,并對未來進一步的研究工作進行展望。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：南京大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：O469

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本文編號：1725555