【摘要】：在固體材料中,能帶理論告訴我們,物態(tài)有導(dǎo)電金屬與非導(dǎo)電絕緣體之分。借助數(shù)學(xué)中封閉曲面的拓?fù)浞诸?lèi),通過(guò)引入動(dòng)量空間中電子能帶的拓?fù)洳蛔兞?可以把絕緣體細(xì)分為普通絕緣體和拓?fù)浞瞧接菇^緣體(如,3D拓?fù)浣^緣體,量子自旋霍爾絕緣體,量子反�；魻柦^緣體等)。與此類(lèi)似,金屬態(tài)亦有普通金屬和拓?fù)浣饘僦�。事�?shí)上,類(lèi)似上述這些新奇量子態(tài)的發(fā)現(xiàn),相應(yīng)真實(shí)材料的理論預(yù)測(cè)與實(shí)驗(yàn)合成、物理性質(zhì)的觀測(cè)與應(yīng)用探索,以及不同量子態(tài)之間的拓?fù)湎嘧冄芯?已成為當(dāng)前凝聚態(tài)物理的熱點(diǎn)課題�；诙SV-V族層狀材料的實(shí)驗(yàn)合成和理論預(yù)測(cè),結(jié)合第一性原理計(jì)算和緊束縛近似模擬,本文在功能化二元V-V族單層化合物中發(fā)現(xiàn)了兩種新奇的量子態(tài),分別為“拓?fù)渥孕?谷耦合絕緣體”和“自旋谷耦合的狄拉克半金屬”。具體研究?jī)?nèi)容及結(jié)果如下:(1)已有的二維拓?fù)浣^緣體多為中心反演對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu),體態(tài)自旋簡(jiǎn)并,因此無(wú)法實(shí)現(xiàn)拓?fù)溥吘墤B(tài)與體態(tài)自旋及能谷的綜合應(yīng)用。借助第一性原理計(jì)算,結(jié)合緊束縛Wannier函數(shù)方法,我們?cè)诙S氟化的BiSb單層中發(fā)現(xiàn)了一種同時(shí)具有自旋和能谷極化的新奇拓?fù)鋺B(tài)——拓?fù)渥孕锐詈辖^緣體。計(jì)算結(jié)果表明,單層BiSbF_2的體態(tài)具有類(lèi)似MoS_2納米單層的自旋-谷極化,且擁有多種優(yōu)良特性:(i)大的自旋劈裂能——導(dǎo)帶能谷的自旋劈裂高達(dá)491meV;(ii)載流子遷移率高(電子遷移率為22500 cm~2V~(-1)s~(-1)、空穴遷移率為4370 cm~2V~(-1)s~(-1));(iii)體相能隙可以通過(guò)應(yīng)變實(shí)現(xiàn)線性調(diào)控。此外,通過(guò)能帶反轉(zhuǎn)分析和拓?fù)浔砻鎽B(tài)的計(jì)算,我們發(fā)現(xiàn)BiSbF_2為典型的寬帶隙二維拓?fù)浣^緣體。BiSbF_2以上這些奇異性質(zhì)都可以在BN襯底上得以保持。拓?fù)渥孕?谷耦合絕緣體材料實(shí)現(xiàn)將為自旋谷電子學(xué)和拓?fù)湮锢淼募蓱?yīng)用提供可能。(2)二維狄拉克材料在自旋軌道耦合(SOC)作用下將打開(kāi)能隙,因此其本質(zhì)上是量子自旋霍爾絕緣體,或二維拓?fù)浣^緣體。近年來(lái),尋找SOC作用下依然穩(wěn)定的狄拉克材料成為人們研究的熱點(diǎn)課題。本文通過(guò)對(duì)功能化的SbAs單層[SbAsX_2(X=H,F,Cl,Br,I)]施加應(yīng)變作用,發(fā)現(xiàn)SbAsH_2在2.3%的拉伸應(yīng)變下?lián)碛蠸OC作用誘發(fā)的自旋谷極化狄拉克態(tài),即自旋谷耦合狄拉克半金屬。由于中心反演對(duì)稱(chēng)破缺,其線性狄拉克能帶發(fā)生自旋劈裂,且不同狄拉克能谷擁有相反的自旋磁矩方向和貝里曲率。單層膜2.3-SbAsH_2不僅具有大的自旋劈裂能((35)_e=421 meV,(35)_h=189 meV)而且呈現(xiàn)出較大的費(fèi)米速度(ν_F=8.79×10~5m/s)。拓?fù)湫再|(zhì)分析表明,該奇異量子態(tài)為普通絕緣體和拓?fù)浣^緣體的中間態(tài)。這一新奇量子態(tài)的實(shí)現(xiàn)將為超高速、超低能耗量子傳輸?shù)陌l(fā)展提供新途徑,也將為狄拉克自旋谷電子學(xué)的發(fā)展提供理想平臺(tái)。
【圖文】：

圖 1.1 在 K 點(diǎn)處帶邊緣的能帶結(jié)構(gòu)示意圖[6]。FIG 1.1 Schematic drawing of the band structure at the band edges located at the K1.2 拓?fù)浣^緣體1972 年，Kosterlitz 和 Thouless 在二維(2D)系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)了一種新的相變類(lèi)

.2 （a）QSH 和（b）絕緣體兩相的幾何能帶圖。（c）表示邊緣狀態(tài)的總體及其自旋電流[15]。. 1.2 Energy bands diagram of (a) QSH and (b) the insulating phases. (c) The overall boundary state andits spin current[15].2006 年，Bernevig，Hughes 和 Zhang (BHZ)提出一個(gè)更普通的拓?fù)浣^緣體生成機(jī)制
【學(xué)位授予單位】：內(nèi)蒙古大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：O469

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3 高輝;自旋-軌道相互作用能的簡(jiǎn)明計(jì)算[J];大學(xué)物理;1989年05期

4 吳靜,張鵬程;范例法在《醫(yī)學(xué)物理學(xué)》教學(xué)中的應(yīng)用(四)——線圈磁矩與核自旋磁矩[J];數(shù)理醫(yī)藥學(xué)雜志;2005年05期

5 林克椿;;一些名詞的說(shuō)明[J];生理科學(xué)進(jìn)展;1978年01期

6 戴聞;;測(cè)量電子間的自旋——自旋相互作用強(qiáng)度[J];物理;2015年01期

7 吳瑞琪;;光泵實(shí)驗(yàn)[J];成都科技大學(xué)學(xué)報(bào);1984年03期

8 王R，

本文編號(hào)：2709386