【摘要】：拓?fù)浣^緣體有很多的新穎的性質(zhì)。這些性質(zhì)可能在拓?fù)淞孔佑?jì)算和自旋電子學(xué)上有巨大的應(yīng)用。拓?fù)浣^緣體的表面上的電子的自旋和角動(dòng)量是垂直鎖定的,這會(huì)受到時(shí)間反演對(duì)稱性的保護(hù)。電子在表面上運(yùn)輸時(shí),電子的能量是無耗散的,這在電子器件上有很大的潛在應(yīng)用。在第一章,本文主要介紹了霍爾效應(yīng),量子自旋霍爾絕緣體以及三維拓?fù)浣^緣體的研究進(jìn)展和理論知識(shí)。在第二章,本文介紹了密度泛函理論,聲子譜計(jì)算的理論推導(dǎo)過程,同時(shí)介紹了VASP計(jì)算軟件包的功能。在第三章,本文介紹了我們的量子自旋霍爾絕緣體的研究結(jié)果。在理論上和實(shí)驗(yàn)上預(yù)言和發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定的大帶隙的量子霍爾絕緣體是非常重要的。根據(jù)第一性原理計(jì)算,我們發(fā)現(xiàn)未經(jīng)化學(xué)修飾的As(110)和Sb(110)薄膜是呈現(xiàn)金屬態(tài)的,它們沒有帶隙。我們用H原子和鹵族元素(Cl和Br)來化學(xué)修飾As(110)和Sb(110)薄膜。化學(xué)修飾后,X-D薄膜(X=As Sb和D=H Cl Br)變成了穩(wěn)定的大帶隙的量子霍爾絕緣體。計(jì)算時(shí)加入自旋軌道耦合后,這些X-D薄膜的帶隙的范圍是0.121eV到0.304eV。大帶隙使量子霍爾絕緣體材料可以應(yīng)用到室溫的器件中,這個(gè)帶隙是來源于自旋軌道耦合相互作用。當(dāng)調(diào)節(jié)自旋軌道耦合強(qiáng)度時(shí),可以發(fā)現(xiàn)所有這些薄膜的帶隙和自旋軌道耦合強(qiáng)度呈線性關(guān)系。計(jì)算X-D薄膜的納米帶的能帶結(jié)構(gòu)時(shí),觀察到了這些材料的邊界態(tài)。波函數(shù)的實(shí)空間的投影的計(jì)算結(jié)果表明所有這些X-D薄膜的邊界態(tài)的穿透深度都大約是1nm。通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)這六種X-D薄膜的_(Z2)的拓?fù)洳蛔兞?ν)為1,這進(jìn)一步表明X-D薄膜是量子自旋霍爾絕緣體。在第四章,本文介紹了磁性元素對(duì)拓?fù)浣^緣體表面電子態(tài)的磁調(diào)控。為了實(shí)現(xiàn)拓?fù)浯烹娦?yīng),需要引入時(shí)間反演對(duì)稱性破缺,打開表面態(tài)的帶隙。我們用磁性原子Mn和Eu替換中Pb_2Bi_2Se_5的Pb原子,然后把X_2Bi_2Se_5與Bi_2Se_3結(jié)合形成異質(zhì)結(jié)。通過這樣方式,可以打開Bi_2Se_3的表面態(tài)的帶隙。通過第一性原理計(jì)算,發(fā)現(xiàn)磁性超晶格X_2Bi_2Se_5是大帶隙的反鐵磁結(jié)構(gòu)。在有SOC的情況下,Mn_2Bi_2Se_5和Eu_2Bi_2Se_5的帶隙分別為0.249eV和0.189eV。通過計(jì)算兩種異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu),可以發(fā)現(xiàn)Mn_2Bi_2Se_5與Bi_2Se_3結(jié)合形成的異質(zhì)結(jié)的帶隙被打開了,帶隙為0.016eV。異質(zhì)結(jié)Eu_2Bi_2Se_5/Bi_2Se_3的帶隙為0.012eV。
【圖文】：

效應(yīng)是由霍爾在 年第一次發(fā)現(xiàn)的 ]�；魻栃�(yīng)是指，，導(dǎo)流的情況下，垂直磁場(chǎng)的存在會(huì)在導(dǎo)體的縱向方向產(chǎn)生電壓，作霍爾電壓，如圖 - (a)所示。在一個(gè)非磁性的材料中，霍爾磁場(chǎng)。這是來源于電荷載流子在洛倫茲力的影響下發(fā)生偏轉(zhuǎn)造壓于傳輸?shù)碾娏鞯谋戎稻褪腔魻栯娮��；魻栯娮枧c磁場(chǎng)的關(guān)系子的類型和載流子密度。這種基本的霍爾效應(yīng)可以被利用來探質(zhì)。這也是工業(yè)界廣泛用來測(cè)量磁場(chǎng)的方法。在基本霍爾效應(yīng)快在鐵磁材料上嘗試了類似的實(shí)驗(yàn)。他發(fā)現(xiàn)，在低磁場(chǎng)下，磁賴關(guān)系呈現(xiàn)了不尋常的很大的斜率。這種不尋常的大的霍爾效的磁化，這個(gè)現(xiàn)象就是后來大家熟知的反�；魻栃�(yīng) ]。當(dāng)不材料仍然保持它的磁性，所以在零磁場(chǎng)的情況下，仍然可以觀，如圖 - (b) 所示。

3 HgTe 量子阱實(shí)驗(yàn)。(a)HgTe 量子阱結(jié)構(gòu)。(b)隨著層厚的增加，2 維量子阱的反轉(zhuǎn)點(diǎn)相交。反轉(zhuǎn)的能態(tài)是螺旋邊緣態(tài)。(c)表面態(tài)中的自旋鎖定。(d)電導(dǎo)系圖，門電壓用來調(diào)節(jié)穿過體帶隙的 Fermi 能級(jí)。對(duì)于樣品Ⅰ，當(dāng) 時(shí)的，然而樣品Ⅲ和Ⅳ顯示了與邊界態(tài)相關(guān)的量子化傳輸性質(zhì)。圖引用自文獻(xiàn) (a) he .g e quantum well structure. (b) he band inversion of .g e quantum win locking of the edge states. (d) The relationship between conductance and gate vo墨烯是由碳元素組成的，然而碳的原子序數(shù)小，SOC 相互作用非常元素周期表中尋找自旋軌道相互強(qiáng)的元素來構(gòu)造量子自旋霍爾絕緣
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TM21

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本文編號(hào)：2614287