Bi基新型二維拓?fù)浣^緣體材料的設(shè)計與研究
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【摘要】：拓?fù)浣^緣體是一種新穎的量子態(tài),該類材料具有絕緣的體能帶電子態(tài)和受時間反演對稱性保護的導(dǎo)電表面態(tài),在自旋電子學(xué),量子計算機,有效節(jié)能等方面有廣泛的應(yīng)用前景。三維拓?fù)浣^緣體由于存在大量的缺陷其電子結(jié)構(gòu)難以調(diào)控；由于其材料厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電場的穿透深度,因此也難以利用外場對其電子結(jié)構(gòu)進行調(diào)控。雖然通過摻雜可以改變?nèi)S拓?fù)浣^緣體的能帶結(jié)構(gòu),但這可導(dǎo)致其電子遷移率大大降低。二維納米結(jié)構(gòu)在這方面則有較大的優(yōu)勢：二維納米材料1)具有較大的表面體積比率,可以有效降低體結(jié)構(gòu)對載流子的貢獻；2)僅少量的化學(xué)摻雜就可以非常明顯地改變二維拓?fù)浣^緣體的性質(zhì),使得實驗上更加易于操作；3)可以有效利用電磁場調(diào)控二維拓?fù)浣^緣體載流子濃度及其它性質(zhì),并且二維納米材料有助于器件的加工與集成。因此,探索二維拓?fù)浣^緣體納米結(jié)構(gòu)顯得更加重要。近年來,以石墨烯為例的二維納米結(jié)構(gòu)引起了人們廣泛的關(guān)注。目前,理論上發(fā)現(xiàn)了許多可以實現(xiàn)量子自旋霍爾效應(yīng)的二維材料,如以HgTe/CdTe, InAs/GaSb為代表的量子阱,六角蜂窩狀二維材料如類Bi(111)單層,III-V族化合物,甲基修飾的Bi, Pb, Sb單層,受鏡面對稱保護以SnTe為代表的IV-VI族二維單層或薄膜拓?fù)渚Ы^緣體,可以在應(yīng)力的影響下實現(xiàn)拓?fù)渚w絕緣體與拓?fù)浣^緣體之間轉(zhuǎn)換的T1S, TISe單層。最近人們進一步發(fā)現(xiàn)以過渡金屬元素為主的拓?fù)浣^緣體如X2CO2(X=Cr, Mo, W), MoS2,方形過渡金屬硫族化合物(square transition-metal dichalcogenides) MX2 (M=Mo, W; X=S, Se, Te),六角過渡金屬硫族化合物MX2(M=Mo, W; X=S, Se, Te)以及由結(jié)構(gòu)畸變引起能帶翻轉(zhuǎn)的MX2(M=Mo, W; X=S, Se, Te)。近期人們又發(fā)現(xiàn)三維拓?fù)浣^緣體Bi2Se3在向二維體系過渡的過程中,當(dāng)厚度減小到幾個納米時,其能帶、自旋結(jié)構(gòu)和拓?fù)湫再|(zhì)都會發(fā)生根本性的改變。通過精確控制材料厚度來調(diào)節(jié)材料的參數(shù),可以得到相應(yīng)拓?fù)浣^緣的電子結(jié)構(gòu)和自旋結(jié)構(gòu)。與HgTe/CdTe量子阱不同的是這個能隙是隨著薄膜厚度按指數(shù)振蕩變化的。因此,這將是HgTe/CdTe量子阱之外的另一類新的準(zhǔn)二維拓?fù)浣^緣體材料。這類準(zhǔn)二維體系形成的結(jié)構(gòu)亦即縱向異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu),但是,由于縱向異質(zhì)結(jié)構(gòu)層之間是以較弱的范德瓦爾斯力作用的,因此,不同結(jié)構(gòu)層之間的相互作用受到了一定的限制。近來,與縱向異質(zhì)結(jié)構(gòu)相對應(yīng)的橫向異質(zhì)結(jié)構(gòu)引起了研究者的廣泛關(guān)注。與縱向異質(zhì)結(jié)不同的是,橫向異質(zhì)結(jié)之間是以更強的共價鍵連接的,這使得不同結(jié)構(gòu)層之間的相互作用大大增強。本論文基于第一性原理密度泛函理論,研究了兩種二維拓?fù)浣^緣體材料的電子結(jié)構(gòu),并構(gòu)造了一種橫向異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu),進而發(fā)現(xiàn)了比較新奇的物理效應(yīng)：本論文共分為五章：第一章,簡要介紹了拓?fù)浣^緣體的機理,概括敘述了二維拓?fù)浣^緣體的研究背景和現(xiàn)狀。第二章,簡單介紹了密度泛函理論的基本概念,交換關(guān)聯(lián)泛函中平面波基組與贗勢的基本框架,同時對廣義梯度近似進行了介紹。第三章,從理論上系統(tǒng)研究了以Bi(111)單層為基礎(chǔ)進行摻雜得到的XBi3(X= Ga, In, T1)單層結(jié)構(gòu),并對其能帶和結(jié)構(gòu)變化進行了詳細(xì)分析和研究,提出了可能存在預(yù)示發(fā)生拓?fù)湎嘧兊哪軒ХD(zhuǎn)。通過對材料進行Z2拓?fù)洳蛔兞坑嬎憧隙薌aBi3 與 InBi3分別為具有較大帶隙的二維拓?fù)浣^緣體。通過構(gòu)造納米帶結(jié)構(gòu)我們得到了具有手征性的導(dǎo)電邊緣態(tài),并且研究了拓?fù)潴w效應(yīng)和量子限制效應(yīng)對于手征邊緣態(tài)形成的影響,并利用應(yīng)力研究了拓?fù)潴w效應(yīng)和量子限制效應(yīng)的競爭關(guān)系。此外,通過研究應(yīng)力對于帶邊態(tài)電子費米速度的影響,我們提出了在材料足夠長并保證拓?fù)湫再|(zhì)的前提下,拉力更有利于電子的遷移。第四章,以大帶隙GaBi單層為基礎(chǔ),我們構(gòu)造了T-Ga2Bi2單層,研究發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的變化使得T-Ga2Bi2體系的穩(wěn)定性大大提高,并且在Γ點處的帶隙增加至1.477eV。由于能帶翻轉(zhuǎn)的強度預(yù)示著材料拓?fù)湫缘膹姸?此處的超大帶隙表明T-Ga2Bi2材料具有極高的拓?fù)浔Ｗo性,同時,這一特征還表現(xiàn)在當(dāng)T-Ga2Bi2納米帶寬度僅有1.7nm時,體系仍然保持良好的線性邊緣態(tài)。進一步研究發(fā)現(xiàn)以BN可以作為T-Ga2Bi2良好的基底,而應(yīng)力對于T-Ga2Bi2結(jié)構(gòu)的影響極小。通過構(gòu)造納米結(jié)構(gòu)的氧原子橋,我們在納米帶內(nèi)部構(gòu)造了一維導(dǎo)電態(tài),并且發(fā)現(xiàn)氧原子橋兩邊T-Ga2Bi2結(jié)構(gòu)的對稱性對于導(dǎo)電態(tài)的散射結(jié)構(gòu)有極大的影響：當(dāng)結(jié)構(gòu)為反對稱時,一維導(dǎo)電態(tài)是拋物線型散射結(jié)構(gòu)。而對稱結(jié)構(gòu)時,一維導(dǎo)電態(tài)具有手征性的線性散射結(jié)構(gòu),此時的導(dǎo)電態(tài)受體系的拓?fù)浔Ｗo,為拓?fù)浣^緣體中熟知的“單向?qū)щ娡ǖ馈薄Ｗ詈笪覀儤?gòu)造了T-Ga2Sb2/T-Ga2Bi2/T-Ga2Sb2橫向異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu),并且發(fā)現(xiàn)雖然T-Ga2Sb2不是拓?fù)浣^緣體,但是當(dāng)形成上述的橫向異質(zhì)結(jié)時,T-Ga2Sb2由于近鄰效應(yīng)(Proximity effect)而發(fā)生了拓?fù)湎嗟霓D(zhuǎn)變,這與2013年人們在Sb2Se3/Bi2Se3/Sb2Se/縱向異質(zhì)結(jié)中發(fā)現(xiàn)的效應(yīng)具有類似的情況。第五章,對論文進行了總結(jié),并對以后的工作進行了展望。拓?fù)浣^緣體不僅在概念上提高了我們對凝聚態(tài)物質(zhì)的認(rèn)識,它本身新奇的物理效應(yīng)更是引起了人們的關(guān)注,并且由拓?fù)浣^緣體與其他具有奇異性質(zhì)的材料,如超導(dǎo),鐵磁材料形成的橫向或縱向異質(zhì)結(jié)有可能會出現(xiàn)新奇的物理效應(yīng)。
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TQ135.32
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