首先我們研究了氫化二維薄膜BiPb的量子自旋霍爾效應(yīng)(QSH)及Rashba自旋劈裂(RSS)性質(zhì)。能帶拓?fù)湫耘cRashba自旋劈裂一直是凝聚態(tài)物理中兩個(gè)被廣泛探索的新奇特性,但在二維材料體系中它們共存的情況仍較少出現(xiàn)。由于在自旋電子學(xué)方面有巨大應(yīng)用潛力,拓?fù)浣^緣體(TIs)中的自旋軌道耦合(SOC)也得到了諸多關(guān)注。Pb元素與Bi元素有著強(qiáng)自旋軌道耦合作用,有可能導(dǎo)致材料呈現(xiàn)出非平庸拓?fù)鋺B(tài),所以我們通過第一性原理計(jì)算了一種新型二維BiPbH薄膜結(jié)構(gòu),它能夠?qū)崿F(xiàn)非平庸拓?fù)湫耘c較大Rashba自旋劈裂的共存,由p_(x,y) p_z軌道能帶反轉(zhuǎn)誘導(dǎo)的非平庸量子態(tài)可通過Z_2拓?fù)洳蛔兞考斑吘墤B(tài)進(jìn)行證明。更有意義的是,在這個(gè)系統(tǒng)中共存的拓?fù)鋷逗蚏ashba自旋劈裂能夠在一個(gè)較大的應(yīng)力范圍內(nèi)(-6%到6%)保持穩(wěn)定。而且在適當(dāng)?shù)膽?yīng)力范圍內(nèi),Γ點(diǎn)帶隙與Rashba劈裂分別最大可達(dá)到0.4 eV與53.1 meV,使其有可能在室溫中實(shí)現(xiàn)量子自旋霍爾效應(yīng)。我們也研究了鹵化對二維薄膜BiPb量子拓?fù)湫再|(zhì)的影響。與氫化BiPb結(jié)構(gòu)相同,由Bi和PbX(X=F,Cl,Br,I)組成的二維六角蜂窩狀薄膜結(jié)構(gòu)仍是大帶隙二維拓?fù)浣^緣體。同樣它們的非平庸拓?fù)湫约皃_(x,y) p_z能帶反轉(zhuǎn)可通過Z_2拓?fù)洳蛔兞考白孕齽恿挎i定的邊緣態(tài)證實(shí)。更加重要的是,這些鹵化薄膜結(jié)構(gòu)的Rashba劈裂可以在更大的應(yīng)力范圍內(nèi)達(dá)到81 meV。另外,我們通過構(gòu)建BiPbX/h-BN異質(zhì)結(jié),發(fā)現(xiàn)襯底對二維BiPbX薄膜在費(fèi)米面附近的能帶幾乎沒有影響,因而BiPbX的拓?fù)湫再|(zhì)在BiPbX/h-BN異質(zhì)結(jié)中得以保持�？紤]到此結(jié)構(gòu)拓?fù)湫再|(zhì)的魯棒性,本工作為設(shè)計(jì)基于二維薄膜材料的拓?fù)淞孔悠骷峁┝诵缕脚_。另一方面,我們還研究了二維薄膜PbTe的拓?fù)渚w絕緣體(TCIs)性質(zhì)。盡管拓?fù)渚w絕緣體已在三維材料體系中得到了廣泛研究和實(shí)驗(yàn)觀測,但基于二維體系的拓?fù)渚w絕緣體材料仍較少報(bào)道。通過研究二維PbTe(001)薄膜的晶體結(jié)構(gòu)和電子性質(zhì),我們發(fā)現(xiàn)單層和三層PbTe(001)薄膜是具有較大帶隙(~0.3 eV)的本征拓?fù)渚w絕緣體,因此具有在室溫下應(yīng)用的潛在價(jià)值。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)其拓?fù)渚w絕緣體性質(zhì)起源于p_(x,y) p_z能帶反轉(zhuǎn),這是由軌道雜化效應(yīng)及界面量子限制效應(yīng)聯(lián)合導(dǎo)致的。特別重要的是,通過施加雙軸應(yīng)力,可以觀測到半金屬(semimetal)-拓?fù)渚w絕緣體-平庸絕緣體的轉(zhuǎn)變,施加單軸應(yīng)力則導(dǎo)致材料出現(xiàn)Z_2非平庸態(tài)。我們還發(fā)現(xiàn)單層PbTe薄膜生長在NaI半導(dǎo)體襯底上依然能夠保持拓?fù)渚w絕緣體態(tài),因而關(guān)于PbTe(001)薄膜量子態(tài)相變及拓?fù)鋷墩{(diào)控的研究,將為實(shí)現(xiàn)低損耗拓?fù)淞孔悠骷峁┮粋�(gè)新思路。
【學(xué)位單位】：濟(jì)南大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TB34
【部分圖文】：

濟(jì)南大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章 緒 論言石墨上成功剝離出石墨烯以來[1]，二維材料開始受到研究者們的廣泛關(guān)注料在結(jié)構(gòu)上有著優(yōu)異的延展性，在性質(zhì)上有著與三維結(jié)構(gòu)不同的新穎性采用三維材料的情況下，可以應(yīng)用新型二維材料來滿足各種用途。近些年多具備應(yīng)用意義的二維材料體系，例如硅烯、鍺烯、磷烯、硼墨烯、Mo合物、BN 蜂巢結(jié)構(gòu)等等[2-8]，憑借它們獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)，各領(lǐng)域都基新型高性能電子器件。

Pb 基二維材料設(shè)計(jì)及量子性質(zhì)調(diào)控電流方向與電子自旋間的規(guī)律，能夠?qū)崿F(xiàn)電子的低散耗傳導(dǎo)，借助于這個(gè)效應(yīng)，拓緣體的應(yīng)用將給世界信息產(chǎn)業(yè)帶來巨大變革。拓?fù)浣^緣體材料的亮點(diǎn)在于其體態(tài)是的，但邊緣有著螺旋極化的零帶隙邊緣態(tài)，使得邊緣是導(dǎo)電的，如圖 1-2(a)所示，由于材料固有的自旋軌道耦合（SOC）作用[26]導(dǎo)致的，而且這個(gè)金屬性的邊緣態(tài)是空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)決定的，與實(shí)空間的材料表面無關(guān)。由于這個(gè)性質(zhì)，二維拓?fù)浣^緣體抵抗非磁雜質(zhì)的魯棒性，這使它們更合適應(yīng)用在自旋輸運(yùn)相關(guān)的電子器件上。

圖 1-3 HgTe/CdTe 量子阱的量子自旋霍爾效應(yīng)示意圖。早先的報(bào)道中，提到了許多體系存在 Rashba 效應(yīng)，然而這些體系大多只展Rashba 自旋劈裂[65]。目前，研究者們發(fā)現(xiàn)了一些貴金屬[66,67]和重金屬表面大的 Rashba 自旋劈裂，劈裂強(qiáng)度通過系數(shù)R表示，其R大小在范圍 0.3進(jìn)而又發(fā)現(xiàn)一部分體系能進(jìn)一步增強(qiáng) Rashba 自旋劈裂，比如 Bi/Ag 合金u (111)上的 Bi 薄膜[71]、塊狀 BiTeI 等，R在 1.36 eV 以上[72]。近來在化材料 GeTe[73]、有機(jī)/無機(jī)雜化的 CH3NH3PbX3鹵化鈣鈦礦[74]、CdTe/InSb構(gòu)中也有關(guān)于 Rashba 自旋劈裂研究，這些結(jié)果為自旋場效應(yīng)管（FET）新的思路。第 IV 族 Pb 相對應(yīng)的第 V 族元素 Bi 同樣具有很大的自旋軌道耦合強(qiáng)度，也設(shè)計(jì)了基于 Bi 元素的化合物，用來實(shí)現(xiàn)大帶隙的非平庸拓?fù)鋺B(tài)[21,50,56,58上，Drozdov 等人[85]通過掃描隧道顯微鏡（STM）觀測到了二維 Bi 的一

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 徐健剛;嚴(yán)躍冬;成龍;曾長淦;;微納加工邊界效應(yīng)對LaAlO_3/SrTiO_3界面自旋軌道耦合影響研究[J];低溫物理學(xué)報(bào);2016年05期

2 張丹偉;曹帥;;人工自旋軌道耦合玻色-愛因斯坦凝聚體的元激發(fā)（英文）[J];華南師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2016年04期

3 儲連元;原子核內(nèi)的自旋軌道耦合[J];物理學(xué)報(bào);1958年06期

4 趙龍;梁九卿;;二維兩組分超冷費(fèi)米氣體中自旋軌道耦合引起的配對不平衡[J];山西大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2015年02期

5 顏玉珍;;外加電場對自旋霍爾效應(yīng)的影響[J];嘉應(yīng)學(xué)院學(xué)報(bào);2011年08期

6 張建華，齊利杰，沈彭年，張宗燁，余友文;N—N相互作用中自旋軌道耦合力的夸克模型[J];高能物理與核物理;1995年01期

7 薛具奎;萬年勝;;自旋軌道耦合自旋1旋量玻色-愛因斯坦凝聚體中波的傳播[J];西北師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2018年04期

8 方明;白絮芳;;納米環(huán)中基于自旋軌道耦合的自旋過濾效應(yīng)[J];固體電子學(xué)研究與進(jìn)展;2009年04期

9 ;壓力誘導(dǎo)的強(qiáng)自旋軌道耦合化合物超導(dǎo)研究取得新進(jìn)展[J];硅酸鹽通報(bào);2015年02期

10 楊軍;戴斌飛;李霞;;自旋軌道耦合效應(yīng)及其應(yīng)用研究[J];大學(xué)物理;2011年08期

相關(guān)會議論文 前10條

1 孫慶豐;謝心澄;郭鴻;王健;;自旋軌道耦合和自旋流[A];量子電荷和自旋輸運(yùn)研討會論文集[C];2005年

2 廖任遠(yuǎn);;自旋軌道耦合玻色氣體[A];第十七屆全國量子光學(xué)學(xué)術(shù)會議報(bào)告摘要集[C];2016年

3 朱濤;;電流誘導(dǎo)的自旋軌道耦合效應(yīng)中Oersted場的直接測量[A];2016中國功能新材料學(xué)術(shù)論壇論文集[C];2016年

4 劉計(jì)紅;李玉現(xiàn);;自旋軌道耦合對正常金屬/半導(dǎo)體/超導(dǎo)體隧道結(jié)中的散粒噪聲的影響[A];第十六屆全國半導(dǎo)體物理學(xué)術(shù)會議論文摘要集[C];2007年

5 張慶營;;非中心力矩陣元的公式(續(xù))[A];第五次核物理會議資料匯編（中冊）[C];1982年

6 董衍坤;張紅梅;李玉現(xiàn);;自旋軌道耦合對Aharonov-Bohm測量儀中自旋相關(guān)輸運(yùn)的影響[A];第十六屆全國半導(dǎo)體物理學(xué)術(shù)會議論文摘要集[C];2007年

7 齊世飛;;n-p共摻雜兩維體系自旋電子學(xué)性質(zhì)研究[A];第十三屆全國量子化學(xué)會議報(bào)告集[C];2017年

8 黃巍;宋博;鄒岳洋;何成東;Elnur Hajiyev;張善超;Gyu-Boong Jo;;Yb-173簡并費(fèi)米氣體及其自旋軌道耦合的實(shí)現(xiàn)[A];第十七屆全國量子光學(xué)學(xué)術(shù)會議報(bào)告摘要集[C];2016年

9 周仕明;張建衛(wèi);時(shí)鐘;何攀;趙海斌;;FePdPt有序合金薄膜中自旋軌道耦合對自旋輸運(yùn)和自旋動力學(xué)性質(zhì)的調(diào)控[A];2012中國功能新材料學(xué)術(shù)論壇暨第三屆全國電磁材料及器件學(xué)術(shù)會議論文摘要集[C];2012年

10 趙麗梅;張國鋒;;基于與Dzyaloshinskii-Moriya的各向異性反對稱相互作用兩個(gè)二自旋系統(tǒng)糾纏量子奧拓?zé)釞C(jī)[A];第十七屆全國量子光學(xué)學(xué)術(shù)會議報(bào)告摘要集[C];2016年

相關(guān)重要報(bào)紙文章 前4條

1 記者 李大慶;我率先實(shí)現(xiàn)超冷原子二維人工自旋軌道耦合[N];科技日報(bào);2016年

2 記者 吳月輝;中國科學(xué)家獲重大突破[N];人民日報(bào)海外版;2016年

3 記者 劉歡;量子模擬計(jì)算速度將超世界最快計(jì)算機(jī)[N];北京日報(bào);2016年

4 記者 吳月輝;超冷原子量子模擬領(lǐng)域我國科學(xué)家獲重大突破[N];人民日報(bào);2016年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前10條

1 王亮亮;雙層自旋軌道費(fèi)米氣體中的拓?fù)涑魈匦訹D];中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院物理研究所);2017年

2 劉釗;若干拓?fù)�、二維材料的理論設(shè)計(jì)[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2018年

3 董召陽;自旋軌道耦合系統(tǒng)中奇異量子相與自旋動力學(xué)的研究[D];南京大學(xué);2018年

4 付正坤;量子簡并費(fèi)米氣體中的自旋軌道耦合[D];山西大學(xué);2014年

5 徐馥芳;碳納米管結(jié)構(gòu)的電子輸運(yùn)特性研究[D];清華大學(xué);2007年

6 王春明;二維自旋軌道耦合系統(tǒng)中自旋霍爾效應(yīng)以及相關(guān)輸運(yùn)性質(zhì)的研究[D];上海交通大學(xué);2008年

7 杜永平;強(qiáng)自旋軌道耦合體系的第一性原理研究[D];南京大學(xué);2016年

8 吳凡;超冷費(fèi)米氣體中的奇異配對態(tài)[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2017年

9 李源;具有自旋軌道耦合的二維電子系統(tǒng)自旋動力學(xué)的研究[D];浙江大學(xué);2008年

10 陳光平;自旋軌道耦合偶極冷原子氣體的物性研究[D];中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院國家授時(shí)中心);2017年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 賈亦真;Pb基二維材料設(shè)計(jì)及量子性質(zhì)調(diào)控[D];濟(jì)南大學(xué);2018年

2 萬怡方;高效熱活化延遲熒光材料的設(shè)計(jì)與探索[D];南京郵電大學(xué);2018年

3 王震委;拓?fù)浒虢饘俨牧系牡谝恍栽硌芯縖D];河南師范大學(xué);2018年

4 高斌斌;串聯(lián)耦合雙量子點(diǎn)中有效自旋軌道耦合場依賴的電子計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)[D];太原理工大學(xué);2018年

5 姚群芳;二維過渡金屬硫化物中Rashba自旋軌道耦合效應(yīng)的第一性原理研究[D];華東師范大學(xué);2017年

6 張鵬;自旋軌道耦合作用下二維超冷費(fèi)米氣體的零溫特性[D];山西大學(xué);2017年

7 張華;自旋軌道耦合下三組份三維費(fèi)米氣體超流態(tài)研究[D];華中師范大學(xué);2016年

8 劉聰明;二維自旋軌道耦合下拓?fù)浒虢饘俚牧孔幽M[D];山西大學(xué);2017年

9 王俊;具有自旋軌道耦合的一維冷原子費(fèi)米氣中的量子相以及無序效應(yīng)研究[D];浙江師范大學(xué);2015年

10 韓慧;銥基化合物中的自旋軌道耦合和自旋阻挫效應(yīng)研究[D];安徽大學(xué);2015年

本文編號：2825240