【摘要】：硅烯,類似于石墨烯的六角硅單層結(jié)構(gòu),是二維量子材料中新起的明星材料。相比于同周期的碳原子,硅原子具有更強的自旋軌道相互作用等優(yōu)勢,一些理論工作預(yù)言了硅烯在超導(dǎo)和拓撲等領(lǐng)域的新奇特性。在近幾年以來,實驗學(xué)家已經(jīng)成功地在Ag(111)、Ir(111)等襯底上合成出了單層硅烯。有著更為廣泛應(yīng)用意義的多層硅烯結(jié)構(gòu)也一直吸引著研究的熱潮。目前一些實驗組報道了在Ag(111)襯底上使用MBE生長方法可以合成幾十原子層厚的多層硅烯結(jié)構(gòu)。但是多層硅烯的結(jié)構(gòu)和電子性質(zhì)等關(guān)鍵問題依然存在爭議,有待于澄清和驗證。另外,二維硅納米量子材料可以具有狄拉克費米子、拓撲和超導(dǎo)等豐富而又新奇量子特性,又能與當代半導(dǎo)體硅工業(yè)相兼容,在新型量子器件方面有著較大的應(yīng)用潛力和前景。在本論文中,我們利用第一性原理對二維硅納米材料進行了系統(tǒng)的研究。我們在硅烯領(lǐng)域的工作致力于能夠在多層硅烯的生長機制、原子結(jié)構(gòu)和狄拉克特性來源等硅烯領(lǐng)域熱點問題上給出清晰合理的理論解釋。另外,我們還從應(yīng)用角度出發(fā)對以硅為主體的新型二維功能化量子材料進行設(shè)計和探索。概括本文的主要內(nèi)容如下:1.結(jié)合第一性計算原理和掃描隧道電子顯微鏡,我們系統(tǒng)地對獨立的多層硅烯和外延生長在Ag(111)襯底上的多層硅烯的結(jié)構(gòu)與物性進行了研究。首次提出了一種具有1.16 eV間接帶隙的雙層硅烯結(jié)構(gòu),并基于該結(jié)構(gòu)實現(xiàn)小剪切力驅(qū)動的金屬-半導(dǎo)體轉(zhuǎn)變。另外再對更厚的多層硅烯進行模擬后,我們發(fā)現(xiàn)當硅原子層逐層生長上去后會自發(fā)地形成層間共價鍵綁定的類金剛石結(jié)構(gòu),同時表面會自發(fā)形成一種弱重構(gòu)的√3×√3相結(jié)構(gòu)。這種重構(gòu)是Si(111)表面的本征特性,與是否有襯底無關(guān)。不同于大家熟知的Si(111)的7×7等強表面重構(gòu),這種弱重構(gòu)沒有硅硅鍵的斷裂重整,只有表面硅原子的起伏發(fā)生改變。該弱重構(gòu)的√3×√3相結(jié)構(gòu)在一定溫度下會和它的鏡像對稱結(jié)構(gòu)相互轉(zhuǎn)化,從而使STM在高溫下觀測到的動態(tài)的六角相結(jié)構(gòu)。在電子性質(zhì)方面,能帶投影的方法把硅烯與襯底的能帶貢獻分開,澄清了多層硅烯表面的弱重構(gòu)會使表面較低的三配位硅原子形成超六角的平面結(jié)構(gòu),從而導(dǎo)致了硅烯表面新奇的狄拉克電子態(tài)。2.在進一步的工作中我們通過對這種弱重構(gòu)的Si(111)-√3表面進行考慮自旋極化的第一性原理計算,發(fā)現(xiàn)這種弱重構(gòu)表面出現(xiàn)自發(fā)的長程有序的鐵磁基態(tài)。由于這種表面具有自發(fā)的自旋極化的狄拉克電子態(tài),并且考慮自旋軌道耦合后可以約15 meV的能隙。我們預(yù)測了一種本征的純硅二維磁性拓撲材料,為在輕元素體系中尋找磁性和自旋電子器件提供了新思路。3.最后,我們對以硅為框架的鹵化硅二維材料進行功能化。通過應(yīng)力的調(diào)控,將其由普通絕緣體變成有著較大自旋軌道耦合能隙的拓撲絕緣體材料。其中,對于碘化硅薄膜材料施加約為2.5%的小的拉伸應(yīng)力就能使其轉(zhuǎn)變成為具有0.5eV拓撲能隙的二維拓撲絕緣體,為實現(xiàn)室溫量子自旋霍爾效應(yīng)提供了新材料。本論文對納米結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的硅基二維量子材料進行了設(shè)計和探索。研究結(jié)果為尋找新型硅基磁性材料、自旋電子器件等開闊了新的思路,對將硅為基礎(chǔ)材料的納米電子學(xué)和電機械學(xué)擴展到量子領(lǐng)域具有促進作用。
[Abstract]:In this paper , the structure and physical properties of a novel two - dimensional silicon - ene structure with an indirect band gap of 1.16 eV have been studied . The structure and physical properties of a novel two - dimensional silicon - ene structure with an indirect band gap of 1.16 eV have been studied .
【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】：2017
【分類號】：O469

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本文編號：2129872