新型二維材料設(shè)計(jì)及拓?fù)湫再|(zhì)的研究
發(fā)布時(shí)間：2021-06-16 01:07
本文基于第一性原理計(jì)算和緊束縛模型,我們設(shè)計(jì)了四類二維新型納米電子材料,并研究了他們的量子拓?fù)湫再|(zhì),揭示了這些二維材料可以實(shí)現(xiàn)量子自旋霍爾效應(yīng)和量子反�；魻栃�(yīng)等獨(dú)特的性質(zhì),并討論了二維拓?fù)浣^緣體在實(shí)驗(yàn)中的可行性方案,以實(shí)現(xiàn)制備低能耗的自旋電子器件。我們首先研究了第IVA族二維薄膜的量子霍爾效應(yīng)。在凝聚態(tài)物理中,很少報(bào)道二維結(jié)構(gòu)的能帶拓?fù)湫院蚏ashba自旋劈裂同時(shí)共存的現(xiàn)象。基于第一性原理計(jì)算,我們預(yù)測了一系列氫化第IVA族大帶隙且擁有較大Rashba劈裂反演非對稱拓?fù)浣^緣體。在雙軸應(yīng)力-8%-8%作用下,二維薄膜PbSnH2、PbGeH2和PbSiH2展現(xiàn)了新奇的量子拓?fù)湫再|(zhì),打開了0.68 eV和0.24 eV的體帶隙。而其他結(jié)構(gòu)由壓縮到拉伸的應(yīng)力調(diào)控過程中,系統(tǒng)則由平庸態(tài)向拓?fù)鋺B(tài)轉(zhuǎn)變。更重要的是,我們發(fā)現(xiàn)第IVA族二維薄膜可以在BaTe襯底生長,并保持了二維薄膜本征的拓?fù)湫再|(zhì),這些發(fā)現(xiàn)可以滿足在室溫下制備低能耗的自旋電子器件。我們也研究了一系列空間反演非對稱第IVA族量子體系A(chǔ)BZ2（A,B...
【文章來源】：濟(jì)南大學(xué)山東省
【文章頁數(shù)】：79 頁
【學(xué)位級別】：碩士
【部分圖文】：
霍爾效應(yīng)、量子霍爾效應(yīng)、量子反�；魻栃�(yīng)示意圖
圖 1.2 錫烯原理示意圖和實(shí)驗(yàn)中制備錫烯示意圖。另一方面，Rashba 自旋軌道耦合通常會導(dǎo)致自旋極化色散曲線與面內(nèi)螺旋自旋結(jié)構(gòu)方向相反[31]，這些性質(zhì)大多發(fā)生在被破壞的非對稱體系中，稱這些結(jié)構(gòu)為二維反演非對稱拓?fù)浣^緣體，這些材料在熱電、p-n 結(jié)等方面更容易實(shí)現(xiàn)新的拓?fù)洮F(xiàn)象。在普通的半導(dǎo)體材料中，Rashba 自旋軌道耦合的作用很弱，Arguilla[32]等人利用 CaGe2–2xSn2x添加原子變?yōu)椴粚ΨQ CaGe2–2xSn2xH1 x(OH)x結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn) Rashba SOC 自旋軌道耦合作用增大了，基于這些結(jié)論，我們預(yù)測第 IVA 族二維薄膜也具有強(qiáng) Rashba 自旋軌道耦合作用的非平庸拓?fù)湫再|(zhì)。量子反�；魻朳33-36]絕緣體擁有非平庸拓?fù)湎�，鐵磁序（FM）和自旋軌道耦合自旋軌道耦合相互作用導(dǎo)致材料存在受拓?fù)浔Ｗo(hù)的手性邊緣態(tài)，它的拓?fù)浞瞧接剐再|(zhì)表現(xiàn)在陳數(shù)不為 0。不像二維量子自旋霍爾[15,37-40]絕緣體存在成對的不同手性和自旋極化的螺旋形邊緣態(tài)，量子反常霍爾絕緣體只存在單向的自旋流，因此量子反�；魻柦^緣體的邊
[16]、鉍烯[17],伴隨著石墨烯[66]的成功制備，對二維薄膜材料進(jìn)行功能化處理[21,26,6為研究的熱點(diǎn)。此外，有機(jī)分子功能化修飾第 IVA 和 VA 族原子薄膜[24,25,72-74]的研現(xiàn)不僅可以增加結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，而且可以改變薄膜本身平庸的絕緣體性質(zhì)。本章中，我們設(shè)計(jì)了氫修飾第 IVA 族的一系列反演非對稱體系，可以表示為 XYHY=Si，Ge，Sn，Pb)，二維 PbSnH2薄膜的主視圖和側(cè)視圖，如圖 3.1（a）。主視圖似于石墨烯的六角蜂窩狀結(jié)構(gòu)，側(cè)視圖是帶褶皺的三明治結(jié)構(gòu)，六種體系的晶格常褶皺高度以及帶隙大小如表 3.1，為了證明二維薄膜的動力學(xué)穩(wěn)定性，我們計(jì)算了 PbSnH2薄膜的聲子譜，如圖 3.1（b），所有聲學(xué)分支都大于零，沒有出現(xiàn)虛頻，說SnH2薄膜是動力穩(wěn)定的，圖 3.1（d）給出了二維薄膜的布里淵區(qū)，在波矢空間內(nèi)里淵區(qū)是正六邊形。為了得到二維薄膜的最穩(wěn)定狀態(tài)，進(jìn)行了掃描晶格常數(shù)，如圖c）是能量隨著晶格常數(shù)變化的趨勢圖，值得注意的是，對于 H 修飾的六種體系，個(gè)局域極小能量值，分別對應(yīng)高褶皺和低褶皺相，六種體系的高褶皺范圍是 3.21-，低褶皺范圍是 0.68-0.80 , 低褶皺相比高褶皺的能量低。
本文編號：3232062
【文章來源】：濟(jì)南大學(xué)山東省
【文章頁數(shù)】：79 頁
【學(xué)位級別】：碩士
【部分圖文】：
霍爾效應(yīng)、量子霍爾效應(yīng)、量子反�；魻栃�(yīng)示意圖
圖 1.2 錫烯原理示意圖和實(shí)驗(yàn)中制備錫烯示意圖。另一方面，Rashba 自旋軌道耦合通常會導(dǎo)致自旋極化色散曲線與面內(nèi)螺旋自旋結(jié)構(gòu)方向相反[31]，這些性質(zhì)大多發(fā)生在被破壞的非對稱體系中，稱這些結(jié)構(gòu)為二維反演非對稱拓?fù)浣^緣體，這些材料在熱電、p-n 結(jié)等方面更容易實(shí)現(xiàn)新的拓?fù)洮F(xiàn)象。在普通的半導(dǎo)體材料中，Rashba 自旋軌道耦合的作用很弱，Arguilla[32]等人利用 CaGe2–2xSn2x添加原子變?yōu)椴粚ΨQ CaGe2–2xSn2xH1 x(OH)x結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn) Rashba SOC 自旋軌道耦合作用增大了，基于這些結(jié)論，我們預(yù)測第 IVA 族二維薄膜也具有強(qiáng) Rashba 自旋軌道耦合作用的非平庸拓?fù)湫再|(zhì)。量子反�；魻朳33-36]絕緣體擁有非平庸拓?fù)湎�，鐵磁序（FM）和自旋軌道耦合自旋軌道耦合相互作用導(dǎo)致材料存在受拓?fù)浔Ｗo(hù)的手性邊緣態(tài)，它的拓?fù)浞瞧接剐再|(zhì)表現(xiàn)在陳數(shù)不為 0。不像二維量子自旋霍爾[15,37-40]絕緣體存在成對的不同手性和自旋極化的螺旋形邊緣態(tài)，量子反常霍爾絕緣體只存在單向的自旋流，因此量子反�；魻柦^緣體的邊
[16]、鉍烯[17],伴隨著石墨烯[66]的成功制備，對二維薄膜材料進(jìn)行功能化處理[21,26,6為研究的熱點(diǎn)。此外，有機(jī)分子功能化修飾第 IVA 和 VA 族原子薄膜[24,25,72-74]的研現(xiàn)不僅可以增加結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，而且可以改變薄膜本身平庸的絕緣體性質(zhì)。本章中，我們設(shè)計(jì)了氫修飾第 IVA 族的一系列反演非對稱體系，可以表示為 XYHY=Si，Ge，Sn，Pb)，二維 PbSnH2薄膜的主視圖和側(cè)視圖，如圖 3.1（a）。主視圖似于石墨烯的六角蜂窩狀結(jié)構(gòu)，側(cè)視圖是帶褶皺的三明治結(jié)構(gòu)，六種體系的晶格常褶皺高度以及帶隙大小如表 3.1，為了證明二維薄膜的動力學(xué)穩(wěn)定性，我們計(jì)算了 PbSnH2薄膜的聲子譜，如圖 3.1（b），所有聲學(xué)分支都大于零，沒有出現(xiàn)虛頻，說SnH2薄膜是動力穩(wěn)定的，圖 3.1（d）給出了二維薄膜的布里淵區(qū)，在波矢空間內(nèi)里淵區(qū)是正六邊形。為了得到二維薄膜的最穩(wěn)定狀態(tài)，進(jìn)行了掃描晶格常數(shù)，如圖c）是能量隨著晶格常數(shù)變化的趨勢圖，值得注意的是，對于 H 修飾的六種體系，個(gè)局域極小能量值，分別對應(yīng)高褶皺和低褶皺相，六種體系的高褶皺范圍是 3.21-，低褶皺范圍是 0.68-0.80 , 低褶皺相比高褶皺的能量低。
本文編號：3232062
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