强自旋轨道耦合材料的压力效应研究

发布时间：2020-10-13 09:58

　　 自旋轨道耦合作用是一种由粒子的自旋与轨道动量的相互作用引起的轨道能级上的“细小”分裂。该作用可以诱导出许多新奇的量子现象,如拓扑表面态,Rashba效应,p波超导体等。在压力作用下,许多具有强自旋轨道耦合作用的材料,如二元拓扑绝缘体,Rashba化合物等,出现了更多的新奇的物理性质,如超导电性,拓扑电子结构相变等,更为重要的是很多物性都具有非常巨大的潜在应用价值。本论文利用高压实验技术,系统的研究了几种不同类型的强自旋轨道耦合材料在高压下的结构和物理性质。具体材料体系有拓扑非平庸材料(如狄拉克半金属、拓扑绝缘体),以及拓扑平庸的材料(如宽禁带半导体)等。取得了如下创新性研究成果:(一)对3D狄拉克半金属Cd_3As_2的单晶进行了高压下的结构和物性研究。发现在低压力下,Cd_3As_2单晶电阻呈现出不同于常压金属态的绝缘体行为。在8.5 GPa时,出现了T_c≈2.0 K的超导电性,随着压力进一步增加到21.3 GPa时T_c增加到4.0 K。同时发现超导转变温度在测得的最高压力前表现出异常恒定的数值。同步辐射x射线衍射表明晶体结构在3.5 GPa左右存在一个结构相变。压力下T_c保持恒定的数值和H_(c2)—温度线性依赖,以及晶体结构对称性的降低,说明Cd_3As_2在高压下观察到的超导电性可能具有拓扑性。上述实验结果表明Cd_3As_2是一个拓扑超导体的候选者。(二)三维四元拓扑绝缘体BiSbTeSe_2相对与二元拓扑绝缘体,具有能隙更大的体态,是研究拓扑绝缘体的一个理想材料。通过对三维四元拓扑绝缘体BiSbTeSe_2的电阻、霍尔系数和晶体结构的高压测量,发现了压力诱导的两个超导相。第一个超导相SC I出现在3.2 GPa,T_c约为7 K,随着压力变化表现出基本恒定的数值,并且表现出了超导的各向异性。当压力继续增加时,在9.6 GPa出现第二个超导相SC II。该超导相在13.3 GPa时出现了明显的超导跃迁,T_c为2.7 K。SC II相T_c的最大值出现在22 GPa,约为9.5 K。原位高压同步辐射XRD分别在10.1 GPa和28.2 GPa观察到了两种晶体结构相变。霍尔系数测量表明,载流子的类型在3.2 GPa左右时(即SC I相出现)由n型转变为p型,在9.6 GPa(第一次晶体结构相变)变回n型。最终,我们得到了BiSbTeSe_2在50.5 GPa压力作用内的压力温度相图。(三)进行了宽禁带半导体Sb_2S_3和Bi_2S_3高压下的和结构物性研究。结果显示Sb_2S_3单晶在17 GPa和35 GPa观察到了压力诱导的绝缘体-金属相变和超导相变。同时确认Sb_2S_3在5 GPa左右既没有压力诱导的二阶等结构相变,也没有的电子拓扑相变。此外发现超导转变温度与压力成正比,在98.9 GPa时,T_c达到最高值9.7 K。同步辐射x射线衍射结果表明在15.1 GPa左右有晶体结构相变,这与绝缘体-金属相变的发生压力相对应。电阻在18.1 GPa左右的“V”形变化可能意味着发生了电子拓扑相变。通过对Bi_2S_3的高压电学及晶体结构的研究,发现在压力的作用下分别在18.7 GPa和49.4 GPa发生了绝缘体-金属转变和超导转变。超导转变温度与压力成正比,在152 GPa时,达到10.9 K。同步辐射x射线衍射结果表明,在55.2GPa以内没有发生晶体结构相变。经过理论计算,推测绝缘体-金属相变可能是由于层间滑移和S缺位引起的。
【学位单位】：中国科学院大学(中国科学院物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：O413;TB302
【部分图文】：

图 1.1 QH 和 QSH 效应之间的类比Figure 1. 1 an analogy between QH and QSH effects二维 QSH 状态大致可以等效为两个 QH 状态的副本，其中自旋相反的状态在边缘反向传播，如图 1.1 所示。一个自然而然的问题是，QSH 状态的边缘状态是否稳定。Kane 和 Mele 表明，稳定性依赖于边缘状态对的数量。奇数对是稳定的，而偶数对不是稳定的[45]。这一发现使得 Kane 和 Mele 提出了时间反演不变二维绝缘子的 Z2 分类。此外，他们还设计了一种精确的算法来计算拓扑带理论(TBT)中的 Z2 拓扑不变量。Fu 和 Kane[26]、摩尔和巴伦茨[20]很快将 TBT 扩展到3D，其中 16 个拓扑不同的状态是可能的。这些状态大部分可以看作是叠加的二维 QSH 绝缘子平面，但其中一个强拓扑绝缘体是真正的三维。基于 TBT 的拓扑分类只适用于非相互作用的系统，目前还不清楚这些状态在包括相互作用在内的[21]

强自旋轨道耦合材料的压力效应研究们推动了这一系列最新进展。此时，基于 TBT 和拓扑场论的两种，形成了统一的理论框架。维拓扑绝缘体HgTe/CdTe量子阱中发现量子自旋霍尔状态，即二维拓扑绝缘体。s 和张等人[22]开始在半导体中寻找具有“倒”电子隙的量子自旋霍了 HgTe/CdTe 量子阱中的量子相变是量子阱厚度 dQW的函数。预为 dQW<dc 的常规绝缘体，dQW>dc 为单对螺旋边缘状态的量子自，其中 dc 为临界厚度。Ko¨nig 等人[23]首次实验证实了 HgTe/CdTe量子自旋霍尔态。

图 1.3 Bi2Se3的晶体结构(a)Bi2Se3的晶体结构红色框表示含有 Se1-Bi1-Se2-Bi1’-Se1’的五倍层。(b)沿 z 方俯视图。一个五层结构中的三角形晶格有三个不对称位置，分别用 A、B、示。(c)五层结构的侧视图。[28]Figure 1. 3 Crystal structure of Bi2Se3(a) Crystal structure of Bi2Se3with three primitive lattice vectors denoted by t1;2;3. Aquintuple layer with Se1-Bi1-Se2-Bi1’-Se1’s indicated by the red box. (b) Top vialong the z direction. Triangular lattice in one quintuple layer has three inequivalpositions, denoted by A, B, and C. (c) Side view of the quintuple layer structure.[单狄拉克锥表面状态的存在。拓扑表面状态的存在是拓扑绝缘体最重
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本文编号：2839029