【摘要】：二維Dirac電子體系,包括石墨烯及硅烯、層狀MoS2等類石墨烯材料,HgTe/CdTe量子阱二維拓撲絕緣體,以及Bi2Se3等三維拓撲絕緣體材料表面等,其特點是體系的能帶結構在費米能級附近呈現(xiàn)能量與波矢的線性關系,形成Dirac錐型結構。所以,二維Dirac體系電子的低能行為需用類Dirac方程進行描述,表現(xiàn)為有效質(zhì)量為零、速度接近于光速的相對論粒子行為。二維原子層狀材料石墨烯的成功制備引起了轟動,石墨烯的研究很快導致了量子自旋霍爾效應(QSHE)概念的提出,接著在HgTe/CdTe量子阱中實驗上實現(xiàn)了QSHE.隨著人們對QSHE拓撲性質(zhì)的研究,HgTe/CdTe量子阱又被稱為二維拓撲絕緣體(2D TI),最后導致了三維拓撲絕緣體(3D TI)的發(fā)現(xiàn),這些材料是一脈相乘的。對這些量子材料的深入研究,既有自旋電子學應用背景,也包含深刻的基礎物理意義。本文主要研究基于Bi2Se3表面納米結構及缺陷的(自旋)電子態(tài)與輸運性質(zhì),鐵磁調(diào)制的硅烯局部費米速度改變電子自旋/谷極化等幾個問題,并注重了與傳統(tǒng)常規(guī)半導體異質(zhì)結二維電子氣體系的對比。除基礎物理的意義外,本文主要旨在為未來基于二維Dirac電子體系的納米(自旋/谷)電子器件的設計提供理論基礎。全文共分為六章。第一章為緒論,簡要介紹了二維Dirac電子體系的概念、自旋軌道耦合與量子自旋霍爾效應,以及幾種典型的Dirac電子材料及其實驗制備和應用前景。第二章中,較詳細介紹了介觀體系的結構表征量—局域態(tài)密度與量子輸運中常用的理論研究方法,即基于Landauer-Buttiker公式的傳輸矩陣與非平衡格林函數(shù)方法。第三章研究了3D TI表面硬壁勢限制的準一維通道體系。從表面態(tài)有效哈密頓量出發(fā),通過求解對應的本征方程獲得(自旋)電子結構,包括能帶結構和自旋極化分布。結果表明,受限的表面態(tài)不再是無能隙的狄拉克費米子,而是打開了一個依賴波導(通道)寬度的能隙；另外,T型波導內(nèi)的電子自旋極化密度矢量的空間分布表明,平面內(nèi)的自旋動量方向鎖定也被打破了第四章研究了3D TI表面線型臺階缺陷邊界散射問題。通過對3DTI表面原子線缺陷做一個δ函數(shù)勢模擬,得到了局域態(tài)密度隨離線缺陷的距離增加而衰減的指數(shù)x-3/2,不同于傳統(tǒng)二維電子氣體的x-1/2衰減行為；并且電子波穿過線缺陷的透射率隨δ函數(shù)勢的強度大小呈周期性變化。另外我們還通過與之前文獻中不同的方式,得到了一個在線缺陷附近沿線缺陷方向傳播的一維限制態(tài),它是一種Tomonaga model的物理實現(xiàn)。通過對3D TI表面線邊界散射的研究,即電子波在Bi2Se3(111)和(221)晶面之間的隧穿傳輸,我們發(fā)現(xiàn)在(221)面(費米速度比較小)上邊界附近,局域態(tài)密度隨離邊界的距離增加呈x-1/2的衰減行為,但在(111)面上仍呈x-3/2的衰減行為。第五章研究了硅烯附加鐵磁調(diào)制形成的正常硅烯/鐵磁硅烯/正常硅烯型結中,改變鐵磁區(qū)的費米速度對自旋極化和谷極化傳輸?shù)挠绊�。作為一種調(diào)控的手段,改變米速度可以通過施加應力或者直接拉伸擠壓的方法。從硅烯的低能有效Dirac哈密頓量出發(fā),得到該體系下自旋/谷分辨的電導及其極化率。我們發(fā)現(xiàn),在一些合理的參數(shù)設定下,可以通過小范圍的改變費米速度,而大幅度地調(diào)節(jié)體系總的極化電導。為自旋/谷電子學器件設計中獲得高效率的極化電流提供一個可行的方法。我們還得到了一個該體系中自旋/谷電導極化率的一個普適的規(guī)律,即保持自旋/谷電導極化率不變,費米速度比與鐵磁區(qū)的寬度呈非常簡單的正反比關系。另外,我們還發(fā)現(xiàn)費米速度的改變對低能區(qū)的電導極化率影響很大,這是器件設計中必須考慮到的問題。第六章中,我們對本文的工作進行了總結和展望。
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【學位授予單位】：湖南師范大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TB383.1

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