本文選題：Dirac　切入點(diǎn)：Fermi子　出處：《南京大學(xué)》2016年博士論文

【摘要】：自從2004年Geim和Novoselov等人利用微機(jī)械剝離的方法成功制備原子厚度碳薄層以來(lái),碳單層迅速成為凝聚態(tài)物理以及材料物理等學(xué)科的新星。碳單層具有簡(jiǎn)單的晶格結(jié)構(gòu),豐富的物理性質(zhì),對(duì)未來(lái)的半導(dǎo)體工業(yè)有著潛在的應(yīng)用價(jià)值。不同于常規(guī)半導(dǎo)體材料中的Schrodinger電子,碳單層中的載流子被稱為Dirac Fermi子,遵循相對(duì)論性的Dirac方程。這為廣大研究者們開(kāi)拓了一個(gè)新的領(lǐng)域。近幾年來(lái),除了碳單層以外,人們也逐漸探索其它具有相對(duì)論性Dirac Fermi子的系統(tǒng),導(dǎo)致許多新的二維材料不斷涌現(xiàn)。無(wú)論是在晶格結(jié)構(gòu)還是能帶結(jié)構(gòu)上,這些新的材料都存在著明顯的差異。許多不同于碳單層的新奇的物理性質(zhì)使得這些低維材料也為未來(lái)自旋-谷電子學(xué)、能帶拓?fù)鋵W(xué)、光電子學(xué)等領(lǐng)域開(kāi)拓了廣闊的應(yīng)用前景。在本論文中,我們主要研究多種二維系統(tǒng)在外場(chǎng)調(diào)控下Dirac Fermi子所展現(xiàn)出的有趣的能譜和輸運(yùn)性質(zhì)。研究的主要問(wèn)題包括碳單層中Dirac電子在準(zhǔn)周期超晶格中的自相似行為,Lieb晶格中贗自旋為1的Dirac Fermi子在周期勢(shì)壘下的透射和能譜,扭轉(zhuǎn)的碳雙層中Dirac電子在正常導(dǎo)體／超導(dǎo)體結(jié)界面所表現(xiàn)出的特殊Andreev反射,以及硅單層中Dirac電子在垂直電場(chǎng)和非共振光場(chǎng)共同作用下的反常熱磁效應(yīng)。論文的具體安排如下：在第一章中,我們簡(jiǎn)要介紹了碳單層以及一些衍生材料包括Lieb晶格、扭轉(zhuǎn)的碳雙層、硅單層等的晶格和能帶結(jié)構(gòu),以及Dirac Fermi子所具有的一些特殊的拓?fù)浜洼斶\(yùn)性質(zhì),然后給出了本論文中所用到的主要理論方法。在第二章中,我們研究了碳單層中的Dirac電子在Thue-Morse準(zhǔn)周期勢(shì)下新奇的電子行為。我們發(fā)現(xiàn),不同于常規(guī)的Schrodinger電子,在碳單層中Dirac電子透射譜中的一些準(zhǔn)周期特性,例如自相似和三分叉行為,僅僅顯示在斜入射的情況；在常規(guī)的Dirac點(diǎn)附近出現(xiàn)了額外的Dirac點(diǎn),它們的位置僅僅和第二代的Thue-Morse序列有關(guān),并且數(shù)目是周期超晶格的兩倍；Thue-Morse準(zhǔn)周期結(jié)構(gòu)中的波函數(shù)在Dirac點(diǎn)位置處發(fā)生從臨界態(tài)到擴(kuò)展態(tài)的轉(zhuǎn)變；電子在額外的Dirac點(diǎn)處會(huì)完全透射,這樣的超準(zhǔn)直效應(yīng)可以用來(lái)探測(cè)Dirac點(diǎn)的數(shù)目和位置。在第三章中,我們研究了贗自旋為1的Dirac Fermi子在Lieb光學(xué)超晶格中的輸運(yùn)行為。研究表明,不同于碳單層超晶格中零平均波數(shù)帶隙,在Lieb超晶格中存在一個(gè)零平均波數(shù)的通帶,其位置為勢(shì)壘臺(tái)階一半。通過(guò)改變Lieb晶格中子格的在位能,通帶會(huì)轉(zhuǎn)變成為一個(gè)全帶隙,因此,全方向的透射轉(zhuǎn)變成全方向的反射,粒子傳導(dǎo)狀態(tài)從開(kāi)態(tài)變到關(guān)態(tài)。這些結(jié)果可以為一些光學(xué)或電學(xué)器件提供理論依據(jù)。在第四章中,我們利用Dirac-Bogoliubov-de Gennes方程和Blonder-Tinkham-Klapwijk理論研究了扭轉(zhuǎn)的碳雙層中正常導(dǎo)體/超導(dǎo)體結(jié)的Andreev反射。在扭轉(zhuǎn)的碳雙層中,其能帶結(jié)構(gòu)有一個(gè)從線性到拋物型的轉(zhuǎn)變過(guò)程,這與系統(tǒng)的Berry相位息息相關(guān)。我們發(fā)現(xiàn)在低能的線性區(qū),鏡面的Andreev反射有一個(gè)明顯的增強(qiáng),微分電導(dǎo)為碳單層的兩倍,展現(xiàn)了碳單層的手征性行為。而在高能區(qū),旋量為27r Berry相的波函數(shù)導(dǎo)致電導(dǎo)完全被抑制。不同手征性的轉(zhuǎn)變點(diǎn)正好對(duì)應(yīng)于系統(tǒng)的van Hove奇點(diǎn)的位置。從這些結(jié)果可以看出,扭轉(zhuǎn)的碳雙層具有非常靈活且可控的輸運(yùn)性質(zhì)。在第五章中,我們研究了硅單層中Dirac Fermi子在非共振光和垂直電場(chǎng)共同調(diào)控下的反常Nernst效應(yīng)。我們提出,通過(guò)測(cè)量反常的Nernst電導(dǎo),硅單層中豐富的拓?fù)湎嘣谑覝叵乱部梢员槐碚鞒鰜?lái),而相邊界可以通過(guò)對(duì)電荷和自旋Nernst電導(dǎo)求微分來(lái)確定。通過(guò)調(diào)節(jié)外加電場(chǎng)或者光場(chǎng),還可以獲得完全自旋極化、谷極化,甚至單谷-單自旋極化的Nernst電流。類似的研究也可以拓展到鍺單層以及錫單層中去,最后我們還對(duì)于這幾種材料的反常熱磁品質(zhì)因子做了比較。在最后一章中,我們對(duì)已取得的研究成果做一個(gè)總結(jié),并對(duì)未來(lái)進(jìn)一步的研究工作進(jìn)行展望。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：O469

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