自旋軌道耦合作用是一種由粒子的自旋與軌道動(dòng)量的相互作用引起的軌道能級(jí)上的“細(xì)小”分裂。該作用可以誘導(dǎo)出許多新奇的量子現(xiàn)象,如拓?fù)浔砻鎽B(tài),Rashba效應(yīng),p波超導(dǎo)體等。在壓力作用下,許多具有強(qiáng)自旋軌道耦合作用的材料,如二元拓?fù)浣^緣體,Rashba化合物等,出現(xiàn)了更多的新奇的物理性質(zhì),如超導(dǎo)電性,拓?fù)潆娮咏Y(jié)構(gòu)相變等,更為重要的是很多物性都具有非常巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值。本論文利用高壓實(shí)驗(yàn)技術(shù),系統(tǒng)的研究了幾種不同類型的強(qiáng)自旋軌道耦合材料在高壓下的結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)。具體材料體系有拓?fù)浞瞧接共牧?如狄拉克半金屬、拓?fù)浣^緣體),以及拓?fù)淦接沟牟牧?如寬禁帶半導(dǎo)體)等。取得了如下創(chuàng)新性研究成果:(一)對(duì)3D狄拉克半金屬Cd_3As_2的單晶進(jìn)行了高壓下的結(jié)構(gòu)和物性研究。發(fā)現(xiàn)在低壓力下,Cd_3As_2單晶電阻呈現(xiàn)出不同于常壓金屬態(tài)的絕緣體行為。在8.5 GPa時(shí),出現(xiàn)了T_c≈2.0 K的超導(dǎo)電性,隨著壓力進(jìn)一步增加到21.3 GPa時(shí)T_c增加到4.0 K。同時(shí)發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度在測(cè)得的最高壓力前表現(xiàn)出異常恒定的數(shù)值。同步輻射x射線衍射表明晶體結(jié)構(gòu)在3.5 GPa左右存在一個(gè)結(jié)構(gòu)相變。壓力下T_c保持恒定的數(shù)值和H_(c2)—溫度線性依賴,以及晶體結(jié)構(gòu)對(duì)稱性的降低,說(shuō)明Cd_3As_2在高壓下觀察到的超導(dǎo)電性可能具有拓?fù)湫�。上述�?shí)驗(yàn)結(jié)果表明Cd_3As_2是一個(gè)拓?fù)涑瑢?dǎo)體的候選者。(二)三維四元拓?fù)浣^緣體BiSbTeSe_2相對(duì)與二元拓?fù)浣^緣體,具有能隙更大的體態(tài),是研究拓?fù)浣^緣體的一個(gè)理想材料。通過(guò)對(duì)三維四元拓?fù)浣^緣體BiSbTeSe_2的電阻、霍爾系數(shù)和晶體結(jié)構(gòu)的高壓測(cè)量,發(fā)現(xiàn)了壓力誘導(dǎo)的兩個(gè)超導(dǎo)相。第一個(gè)超導(dǎo)相SC I出現(xiàn)在3.2 GPa,T_c約為7 K,隨著壓力變化表現(xiàn)出基本恒定的數(shù)值,并且表現(xiàn)出了超導(dǎo)的各向異性。當(dāng)壓力繼續(xù)增加時(shí),在9.6 GPa出現(xiàn)第二個(gè)超導(dǎo)相SC II。該超導(dǎo)相在13.3 GPa時(shí)出現(xiàn)了明顯的超導(dǎo)躍遷,T_c為2.7 K。SC II相T_c的最大值出現(xiàn)在22 GPa,約為9.5 K。原位高壓同步輻射XRD分別在10.1 GPa和28.2 GPa觀察到了兩種晶體結(jié)構(gòu)相變�；魻栂禂�(shù)測(cè)量表明,載流子的類型在3.2 GPa左右時(shí)(即SC I相出現(xiàn))由n型轉(zhuǎn)變?yōu)閜型,在9.6 GPa(第一次晶體結(jié)構(gòu)相變)變回n型。最終,我們得到了BiSbTeSe_2在50.5 GPa壓力作用內(nèi)的壓力溫度相圖。(三)進(jìn)行了寬禁帶半導(dǎo)體Sb_2S_3和Bi_2S_3高壓下的和結(jié)構(gòu)物性研究。結(jié)果顯示Sb_2S_3單晶在17 GPa和35 GPa觀察到了壓力誘導(dǎo)的絕緣體-金屬相變和超導(dǎo)相變。同時(shí)確認(rèn)Sb_2S_3在5 GPa左右既沒(méi)有壓力誘導(dǎo)的二階等結(jié)構(gòu)相變,也沒(méi)有的電子拓?fù)湎嘧�。此外發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度與壓力成正比,在98.9 GPa時(shí),T_c達(dá)到最高值9.7 K。同步輻射x射線衍射結(jié)果表明在15.1 GPa左右有晶體結(jié)構(gòu)相變,這與絕緣體-金屬相變的發(fā)生壓力相對(duì)應(yīng)。電阻在18.1 GPa左右的“V”形變化可能意味著發(fā)生了電子拓?fù)湎嘧�。通過(guò)對(duì)Bi_2S_3的高壓電學(xué)及晶體結(jié)構(gòu)的研究,發(fā)現(xiàn)在壓力的作用下分別在18.7 GPa和49.4 GPa發(fā)生了絕緣體-金屬轉(zhuǎn)變和超導(dǎo)轉(zhuǎn)變。超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度與壓力成正比,在152 GPa時(shí),達(dá)到10.9 K。同步輻射x射線衍射結(jié)果表明,在55.2GPa以內(nèi)沒(méi)有發(fā)生晶體結(jié)構(gòu)相變。經(jīng)過(guò)理論計(jì)算,推測(cè)絕緣體-金屬相變可能是由于層間滑移和S缺位引起的。
【學(xué)位單位】：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院物理研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：O413;TB302
【部分圖文】：

圖 1.1 QH 和 QSH 效應(yīng)之間的類比Figure 1. 1 an analogy between QH and QSH effects二維 QSH 狀態(tài)大致可以等效為兩個(gè) QH 狀態(tài)的副本，其中自旋相反的狀態(tài)在邊緣反向傳播，如圖 1.1 所示。一個(gè)自然而然的問(wèn)題是，QSH 狀態(tài)的邊緣狀態(tài)是否穩(wěn)定。Kane 和 Mele 表明，穩(wěn)定性依賴于邊緣狀態(tài)對(duì)的數(shù)量。奇數(shù)對(duì)是穩(wěn)定的，而偶數(shù)對(duì)不是穩(wěn)定的[45]。這一發(fā)現(xiàn)使得 Kane 和 Mele 提出了時(shí)間反演不變二維絕緣子的 Z2 分類。此外，他們還設(shè)計(jì)了一種精確的算法來(lái)計(jì)算拓?fù)鋷Ю碚?TBT)中的 Z2 拓?fù)洳蛔兞�。Fu 和 Kane[26]、摩爾和巴倫茨[20]很快將 TBT 擴(kuò)展到3D，其中 16 個(gè)拓?fù)洳煌臓顟B(tài)是可能的。這些狀態(tài)大部分可以看作是疊加的二維 QSH 絕緣子平面，但其中一個(gè)強(qiáng)拓?fù)浣^緣體是真正的三維�；� TBT 的拓?fù)浞诸愔贿m用于非相互作用的系統(tǒng)，目前還不清楚這些狀態(tài)在包括相互作用在內(nèi)的[21]

強(qiáng)自旋軌道耦合材料的壓力效應(yīng)研究們推動(dòng)了這一系列最新進(jìn)展。此時(shí)，基于 TBT 和拓?fù)鋱?chǎng)論的兩種，形成了統(tǒng)一的理論框架。維拓?fù)浣^緣體HgTe/CdTe量子阱中發(fā)現(xiàn)量子自旋霍爾狀態(tài)，即二維拓?fù)浣^緣體。s 和張等人[22]開始在半導(dǎo)體中尋找具有“倒”電子隙的量子自旋霍了 HgTe/CdTe 量子阱中的量子相變是量子阱厚度 dQW的函數(shù)。預(yù)為 dQW<dc 的常規(guī)絕緣體，dQW>dc 為單對(duì)螺旋邊緣狀態(tài)的量子自，其中 dc 為臨界厚度。Ko¨nig 等人[23]首次實(shí)驗(yàn)證實(shí)了 HgTe/CdTe量子自旋霍爾態(tài)。

圖 1.3 Bi2Se3的晶體結(jié)構(gòu)(a)Bi2Se3的晶體結(jié)構(gòu)紅色框表示含有 Se1-Bi1-Se2-Bi1’-Se1’的五倍層。(b)沿 z 方俯視圖。一個(gè)五層結(jié)構(gòu)中的三角形晶格有三個(gè)不對(duì)稱位置，分別用 A、B、示。(c)五層結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖。[28]Figure 1. 3 Crystal structure of Bi2Se3(a) Crystal structure of Bi2Se3with three primitive lattice vectors denoted by t1;2;3. Aquintuple layer with Se1-Bi1-Se2-Bi1’-Se1’s indicated by the red box. (b) Top vialong the z direction. Triangular lattice in one quintuple layer has three inequivalpositions, denoted by A, B, and C. (c) Side view of the quintuple layer structure.[單狄拉克錐表面狀態(tài)的存在。拓?fù)浔砻鏍顟B(tài)的存在是拓?fù)浣^緣體最重
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本文編號(hào)：2839029