本論文通過十六帶的緊束縛模型計算,對于六角蜂窩狀結(jié)構(gòu)的鍺烯晶體的電子能帶結(jié)構(gòu)進行了研究。論文主要研究了在自旋軌道耦合作用下,外加垂直電場和磁場對于鍺烯的能帶結(jié)構(gòu)的調(diào)控。計算結(jié)果表明,在鍺烯的類狄拉克型電子結(jié)構(gòu)中考慮自旋軌道耦合后,可以打開一個可調(diào)控的帶隙,這說明在能量帶隙的形成中自旋軌道耦合起著至關(guān)重要的作用。和石墨烯中的電子結(jié)構(gòu)比較,自旋軌道耦合對于鍺烯的帶隙的影響效果非常顯著,在室溫下也能夠呈現(xiàn)良好的量子自旋霍爾效應(yīng),這說明鍺烯材料能夠成為理想的自旋電子器件制備材料。我們還發(fā)現(xiàn)鍺烯的電子結(jié)構(gòu)和拓撲性質(zhì)對外場強度具有較強的依賴性。通過施加外電場或者磁場,鍺烯材料可以調(diào)控成具有金屬、半導體或絕緣體性能的材料。此外,電場調(diào)控下的能帶結(jié)構(gòu)的主要特征與磁場調(diào)控下所呈現(xiàn)的現(xiàn)象有很大的不同。對于外電場調(diào)控,兩個自旋向上的態(tài)在K點處產(chǎn)生帶隙,相反,在K~′點的帶隙由兩個自旋向下的態(tài)產(chǎn)生。然而,對于外加磁場來說,在K和K~′點帶隙都是由自旋向上的導帶和自旋向下的價帶產(chǎn)生。這種通過外加場來調(diào)控帶隙的方法,能夠為制備基于鍺烯的自旋電子學設(shè)備的實現(xiàn)提供幫助。論文內(nèi)容包含四部分:在第一章緒論中,主要介紹了二維材料的研究進展,較為詳細地介紹石墨烯和硅烯的晶格結(jié)構(gòu)、能帶色散關(guān)系、主要的物理性質(zhì)、以及對于它們實驗和理論的研究進程。其次分別對自旋軌道耦合和量子自旋霍爾效應(yīng)進行了介紹。最后我們對本文的研究背景、內(nèi)容以及意義進行了闡述和說明。在第二章中,主要介紹了本文工作所采用的理論模型,論文中詳細推導了包含自旋軌道耦合、外電場情況下,十六帶的緊束縛模型中,系統(tǒng)哈密頓量的具體形式,并主要將其利用在鍺烯以及其它的第四主族的二維材料的能帶計算中。接下來在第三章中,我們研究了外加電場、磁場對于鍺烯的能帶結(jié)構(gòu)的影響,特別是對于其帶隙的調(diào)控,分別分析在考慮自旋軌道耦合后外加電場和磁場對鍺烯電子結(jié)構(gòu)的影響以及影響能帶退簡并的因素。最后在第四章中,我們對本文的研究方法、研究內(nèi)容以及結(jié)論進行了總結(jié)。
【學位單位】：湖南師范大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：TN03;TB383.1
【文章目錄】：
中文摘要
英文摘要
第一章 緒論
    1.1 二維拓撲絕緣體材料
        1.1.1 石墨烯的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)
        1.1.2 硅烯的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)
    1.2 自旋軌道耦合和量子自旋霍爾效應(yīng)
        1.2.1 自旋軌道耦合效應(yīng)
        1.2.2 量子自旋霍爾效應(yīng)
    1.3 論文的研究背景與科學意義
        1.3.1 研究背景
        1.3.2 研究內(nèi)容與意義
第二章 理論模型與計算方法
    2.1 能帶計算的緊束縛近似方法
    2.2 鍺烯材料電子結(jié)構(gòu)的緊束縛模型
        2.2.1 鍺烯結(jié)構(gòu)
        2.2.2 鍺烯材料電子結(jié)構(gòu)的計算方法
第三章 外場調(diào)控鍺烯電子能帶結(jié)構(gòu)
    3.1 引言
    3.2 外加垂直電場調(diào)控
    3.3 外加磁場調(diào)控
    3.4 結(jié)論與小結(jié)
第四章 總結(jié)與展望
    4.1 全文總結(jié)
    4.2 本論文的主要創(chuàng)新點
    4.3 后續(xù)工作展望
參考文獻
致謝
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