【摘要】：石墨烯是目前自然界中最薄、強度最高、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能最強的二維納米材料,碳原子在平面內(nèi)排列形成六角蜂窩型結(jié)構(gòu),斷裂強度比最好的鋼材還要高200倍。同時它又有很好的彈性,拉伸幅度能達(dá)到自身尺寸的20%。由于石墨烯優(yōu)秀的導(dǎo)電和機械學(xué)性質(zhì),使它成為極有潛力的超薄納米壓電導(dǎo)材料。范德瓦爾斯相互作用的多層石墨烯增加了石墨烯體系可調(diào)控的自由度,這種層間相互作用在調(diào)節(jié)和設(shè)計層狀材料的電子結(jié)構(gòu)和輸運性質(zhì)中起著至關(guān)重要的作用。然而關(guān)于多層石墨烯機械-電輸運性質(zhì)的研究很少,我們主要研究了單層到多層懸空石墨烯壓電導(dǎo)特性。研究結(jié)果表明,石墨烯體系中的壓電導(dǎo)效應(yīng)有極強的層數(shù)依賴性質(zhì),并且在三層的時候壓電導(dǎo)效應(yīng)最為顯著,壓力引起層間相互作用和層內(nèi)相互作用的競爭關(guān)系,在不同石墨烯堆疊結(jié)構(gòu)普遍存在。石墨烯動量空間中不等價的能谷(Valley)K和K',作為一種新的自由度,類似于電子的自旋自由度,也可以被調(diào)控并且作為信息載體設(shè)計新型電子器件,能谷的區(qū)分和操作在實際應(yīng)用中至關(guān)重要。能谷自由度由動量空間中的貝利曲率來決定,在六角晶格的材料中,打破空間反演對稱性(Inversion symmetry)可以在能谷K和K'上產(chǎn)生符號相反的貝利曲率Ω。單層石墨烯中,通過引入A-B子晶格不同的在位能來打破空間反演對稱性,由于不同能谷上的電子攜帶相反方向的貝利曲率,導(dǎo)致電子在輸運過程中向兩邊積累,產(chǎn)生在單層石墨烯中的能谷霍爾效應(yīng)。類似在AB堆積的雙層石墨烯中通過引入垂直平面方向的電場,引起層間在位能的不同,從而打破空間反演對稱性,形成雙層石墨烯的能谷霍爾效應(yīng)。如果體系中存在一個邊界,使得能谷攜帶的貝利曲率在邊界上產(chǎn)生翻轉(zhuǎn),則邊界處會形成受拓?fù)浔Ｗo的拓?fù)涫芟迲B(tài)(Topological confinement states)或者被稱為一維零線模(Zero-line modes),攜帶相反符號貝利曲率的導(dǎo)電模相向輸運,這種邊界態(tài)會穩(wěn)定的存在于拓?fù)湫再|(zhì)相反區(qū)域的邊界上,只要邊界兩側(cè)區(qū)域內(nèi)拓?fù)湫再|(zhì)不發(fā)生改變。由于能谷K和K'在動量空間中是分離的,拓?fù)涫芟迲B(tài)在輸運過程中不能被長程雜質(zhì)和缺陷所破壞,這種輸運過程受能谷非耦合對稱性(no-valley mixing)保護。雙層石墨烯體系中,通過電極調(diào)控不同區(qū)域上的層間在位能,并且在格點能翻轉(zhuǎn)的邊界上可以形成雙層石墨烯上的拓?fù)涫芟迲B(tài),同理可以在單層石墨烯中通過晶格近似匹配的襯底引入AB格點在位能的不同,并形成在邊界區(qū)域AB格點在位能的翻轉(zhuǎn),產(chǎn)生單層石墨烯中的拓?fù)涫芟迲B(tài)。我們考慮了在單層和雙層石墨烯中形成拓?fù)涫芟迲B(tài)并詳細(xì)的研究了其能帶和輸運性質(zhì),雙層石墨烯中的拓?fù)涫芟迲B(tài)存在短程無序下,輸運可以被降低到0.6 e2//h,然而存在磁場的情況下,首先,石墨烯中心扭結(jié)區(qū)域的束縛態(tài)在磁場下進入朗道能級,削弱拓?fù)涫芟迲B(tài)和束縛態(tài)之間的散射作用,從而降低電子輸運的反射概率;其次,能谷K和K'上的拓?fù)涫芟迲B(tài)的波函數(shù)在實空間隨著磁場的增加逐漸分離,極大程度的降低了谷間散射作用(inter-valley scattering),拓?fù)涫芟迲B(tài)在輸運過程中的兩種散射機制在磁場的存在下都被抑制削弱,使得拓?fù)涫芟迲B(tài)在磁場強度為8 T,即使存在強度為0.6 eW的無序,電導(dǎo)依然可以達(dá)到0.83(4e2/h)的量子極限。當(dāng)體系費米能級接近帶隙邊緣時,磁場為B = 9T,體系表現(xiàn)出量子極限的輸運特性。最后,我們研究了在磁場強度為存在兩個或更多拓?fù)涫芟迲B(tài)相互交叉的單層石墨烯中,電流分配可以通過不同區(qū)域內(nèi)的AB子格點在位能、零線模交叉點的角度、費米能以及磁場等參數(shù)來進行調(diào)控,實現(xiàn)電流分配在0到1之間任意調(diào)節(jié)。量子反�；魻栃�(yīng)(QAHE)在無序逐漸增大時,存在豐富的相變過程,本文研究了量子反常霍爾效應(yīng)存在自旋極化無序情況下的想變過程,結(jié)果發(fā)現(xiàn):存在小無序情況下,量子反�；魻栃�(yīng)體系中的邊界態(tài)表現(xiàn)出非常強的魯棒性,體態(tài)為絕緣態(tài),隨著無序強度逐漸增大,磁性無序引貝利曲率(Berry curvature)的交換進而進入金屬態(tài),隨著無序強度繼續(xù)增加,最后進入Anderson的絕緣相。
【圖文】：

Ｐｙ邐Ｐｙ逡逑圖１．３雙層石墨烯在存在柵壓下的能帶結(jié)構(gòu)．00和（Ｃ）表示的是其中一個能谷上我的能帶逡逑結(jié)構(gòu)，參數(shù)為：ｅ⑷＝邋＾ｍ／ｉ0ｒ／Ｚ），Ｚ邋＝邋０．５以及／邋＝邋４，，邊界條件為屯（士２０）邋＝邋０；邋（ｂ）逡逑和⑷相類似但取周期性邊界條件；（ｄ）采用偶型結(jié)構(gòu)的柵壓ｅ0ｃ）邋＝邋＜ｃｍ／ｉ２0ｒ／４）逡逑８逡逑

邐１０逡逑ｐｏｓｉｔｉｏｎ，邋ｘ逡逑圖１．２雙層石墨烯存在一個電場扭結(jié)得側(cè)視圖，在中心扭結(jié)區(qū)域，體系各層上的在位能發(fā)逡逑生一次符號的反轉(zhuǎn)。逡逑：氣．５邐－１邐－０．５邐０邐０．５邐１邐１．５邐￣－１．５邐－１邐－０．５邐０邐（Ｘ５邐１邐１．５逡逑Ｐｙ邐Ｐｙ逡逑：３１．５邐－１邐－０．５邐０邐０．５邐１邐１．５邐￣＾１．５邐－１邐－０３邐０邐０．５邐１邐１．５逡逑Ｐｙ邐Ｐｙ逡逑圖１．３雙層石墨烯在存在柵壓下的能帶結(jié)構(gòu)．00和（Ｃ）表示的是其中一個能谷上我的能帶逡逑結(jié)構(gòu)，參數(shù)為：ｅ⑷＝邋＾ｍ／ｉ0ｒ／Ｚ），Ｚ邋＝邋０．５以及／邋＝邋４，邊界條件為屯（士２０）
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：O469

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