【摘要】：石墨烯及三維拓撲半金屬因承載著深刻的物理內(nèi)涵和蘊含著巨大的潛在應(yīng)用價值而在凝聚態(tài)物理領(lǐng)域受到廣泛的關(guān)注。石墨烯及三維Dirac和Weyl半金屬的低能準粒子具有特殊的線性色散,遵從高能物理中的Dirac或Weyl方程,迥異于傳統(tǒng)的二次型色散的薛定諤費米子。理論研究表明,由于特殊的色散形式,石墨烯及三維Dirac和Weyl半金屬表現(xiàn)出非常多的新奇特性。隨著拓撲半金屬材料研究的逐漸深入,人們發(fā)現(xiàn)一些高能物理中的基本對稱性,如:洛倫茲對稱性和粒子空穴對對稱性等,在凝聚態(tài)物理中并不是必須的。對稱性約束的減少也即意味著,相較于高能粒子的分類,凝聚態(tài)物理中的準粒子種類更加豐富。具體表現(xiàn)為:Weyl(Dirac)錐可以傾斜、能帶節(jié)點的簡并度可以為3、6和8以及能帶節(jié)點的維度可以為一維(Nodal line)和二維(Nodal Surface)。超越Weyl和Dirac費米子的新型費米子的提出為當(dāng)今拓撲半金屬材料的研究注入了新的活力,而這也對當(dāng)前第一性原理計算研究提出了新的要求:尋找理想的新型費米子材料為以后的實驗制備和觀測提供理論指導(dǎo)。另外,對于典型的二維半金屬材料石墨烯,理論計算表明,鋸齒形邊界和扶手椅型邊界具有不同的物理特性,但是實驗上制備具有嚴格規(guī)整邊界的石墨烯納米結(jié)構(gòu)還具有的一定挑戰(zhàn)性。如何控制石墨烯的邊界和制備周期性納米結(jié)構(gòu),從而調(diào)控其電學(xué)輸運特性目前仍是石墨研究烯領(lǐng)域的一個重點關(guān)注問題。本論文首先采用基于密度泛函理論的第一性原理計算方法,預(yù)言了兩種相對理想的新型拓撲半金屬材料,并對其相關(guān)物性進行了理論探討。同時,我們制備了高質(zhì)量的鋸齒形邊界石墨烯反點網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),并研究了周期調(diào)控勢對石墨烯中載流子輸運性質(zhì)的影響。本文研究成果如下:1.基于密度泛函理論的第一性原理計算方法,我們在225號點式空間群Zr O體系中預(yù)言了新型費米子。當(dāng)忽略自旋軌道耦合作用時,Zr O體系是第二類色散的三重簡并點以及三帶節(jié)線半金屬。當(dāng)考慮自旋軌道耦合作用后,Zr O是第二類色散的狄拉克半金屬。2.基于第一性原理計算,我們在194號非點式空間群BaTiS_3體系中預(yù)言該體系為交叉型節(jié)線半金屬。與以往研究不同之處在于,BaTiS_3中的交叉型節(jié)線半金屬是由受體系的六個鏡面保護的六個環(huán)交叉組成。此外,對該體系的電子能帶結(jié)構(gòu)計算表明,體系中節(jié)線環(huán)的大小可以通過應(yīng)力調(diào)控。3.基于氫等離子體各向異性刻蝕技術(shù),結(jié)合范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)轉(zhuǎn)移技術(shù)和微加工方法,我們制備了鋸齒型邊界的石墨烯反點網(wǎng)絡(luò)。電學(xué)輸運和磁輸運均表明,通過該方法制備的石墨烯反點網(wǎng)絡(luò)樣品質(zhì)量很高。在低磁場下,我們觀測到了石墨烯中載流子圍繞一個反點網(wǎng)絡(luò)運動的公度震蕩峰;當(dāng)磁場逐漸增加時,可以觀測到sdH震蕩到量子霍爾效應(yīng)的轉(zhuǎn)變。
【圖文】：

石墨烯具有新奇的能帶結(jié)構(gòu)特性，sp2 雜化態(tài)形成占據(jù)態(tài)和空態(tài)。占據(jù)態(tài)和態(tài)之間有很大的帶隙。而未配對的π電子使石墨烯在布里淵區(qū)高對稱點 K 和＇處在費米能級處形成線性能帶交叉。從能帶理論而言，石墨烯是零帶隙的二半金屬材料。石墨烯吸引人們廣泛研究的原因不僅僅是其零帶隙的能帶結(jié)構(gòu)，在其具備手性電子、電子空穴對稱性等新奇物性[25,26]。接下來我們將從哈密模型角度分析石墨烯特殊電子能帶結(jié)構(gòu)的物理成因�？紤]石墨烯中子晶格 A、B 原子的 π 電子最近鄰和次近鄰躍遷時，緊束縛哈頓量的形式如下： = ∑ ( H ) ∑ ( )(1.5)圖 1-1 (a)石墨烯六角蜂窩晶格，子晶格 A 和 B 在圖中分別用藍色和紅色標(biāo)注。(b)石墨烯的倒格矢以及布里淵區(qū)高對稱點。

關(guān)系我們可以看出，當(dāng)不考慮次近鄰躍遷時，電子空穴對稱性導(dǎo)致 π*帶和 π 帶是對稱的�？紤]次近鄰躍遷后，電子空穴對稱性被破壞，使得 π*帶和 π 帶變成非對稱�？紤]最近鄰和次近鄰后的石墨烯能帶如圖 1-2 所示，在布里淵區(qū)高對稱點 K（K＇）會形成線性交叉，線性交叉點稱之為狄拉克點。只考慮最近鄰躍遷時，在狄拉克點 K（K＇）附近展開，能帶色散關(guān)系如下： ( ) = ( ) (1.8)這里， = ，且 。 是相對于狄拉克點處的動量，，費米速度 = 。當(dāng)考慮次近鄰躍遷后，在狄拉克點 K（K＇）附近展開的能譜關(guān)系如下： ( ) ( ě ( ) (1.9)動量空間角度定義為： = ě ( ) (1.10)
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院物理研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：O469

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