新型二维材料设计及拓扑性质的研究
发布时间：2021-06-16 01:07
本文基于第一性原理计算和紧束缚模型,我们设计了四类二维新型纳米电子材料,并研究了他们的量子拓扑性质,揭示了这些二维材料可以实现量子自旋霍尔效应和量子反常霍尔效应等独特的性质,并讨论了二维拓扑绝缘体在实验中的可行性方案,以实现制备低能耗的自旋电子器件。我们首先研究了第IVA族二维薄膜的量子霍尔效应。在凝聚态物理中,很少报道二维结构的能带拓扑性和Rashba自旋劈裂同时共存的现象。基于第一性原理计算,我们预测了一系列氢化第IVA族大带隙且拥有较大Rashba劈裂反演非对称拓扑绝缘体。在双轴应力-8%-8%作用下,二维薄膜PbSnH2、PbGeH2和PbSiH2展现了新奇的量子拓扑性质,打开了0.68 eV和0.24 eV的体带隙。而其他结构由压缩到拉伸的应力调控过程中,系统则由平庸态向拓扑态转变。更重要的是,我们发现第IVA族二维薄膜可以在BaTe衬底生长,并保持了二维薄膜本征的拓扑性质,这些发现可以满足在室温下制备低能耗的自旋电子器件。我们也研究了一系列空间反演非对称第IVA族量子体系ABZ2（A,B...
【文章来源】：济南大学山东省
【文章页数】：79 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
霍尔效应、量子霍尔效应、量子反常霍尔效应示意图
图 1.2 锡烯原理示意图和实验中制备锡烯示意图。另一方面，Rashba 自旋轨道耦合通常会导致自旋极化色散曲线与面内螺旋自旋结构方向相反[31]，这些性质大多发生在被破坏的非对称体系中，称这些结构为二维反演非对称拓扑绝缘体，这些材料在热电、p-n 结等方面更容易实现新的拓扑现象。在普通的半导体材料中，Rashba 自旋轨道耦合的作用很弱，Arguilla[32]等人利用 CaGe2–2xSn2x添加原子变为不对称 CaGe2–2xSn2xH1 x(OH)x结构，发现 Rashba SOC 自旋轨道耦合作用增大了，基于这些结论，我们预测第 IVA 族二维薄膜也具有强 Rashba 自旋轨道耦合作用的非平庸拓扑性质。量子反常霍尔[33-36]绝缘体拥有非平庸拓扑相，铁磁序（FM）和自旋轨道耦合自旋轨道耦合相互作用导致材料存在受拓扑保护的手性边缘态，它的拓扑非平庸性质表现在陈数不为 0。不像二维量子自旋霍尔[15,37-40]绝缘体存在成对的不同手性和自旋极化的螺旋形边缘态，量子反常霍尔绝缘体只存在单向的自旋流，因此量子反常霍尔绝缘体的边
[16]、铋烯[17],伴随着石墨烯[66]的成功制备，对二维薄膜材料进行功能化处理[21,26,6为研究的热点。此外，有机分子功能化修饰第 IVA 和 VA 族原子薄膜[24,25,72-74]的研现不仅可以增加结构的稳定性，而且可以改变薄膜本身平庸的绝缘体性质。本章中，我们设计了氢修饰第 IVA 族的一系列反演非对称体系，可以表示为 XYHY=Si，Ge，Sn，Pb)，二维 PbSnH2薄膜的主视图和侧视图，如图 3.1（a）。主视图似于石墨烯的六角蜂窝状结构，侧视图是带褶皱的三明治结构，六种体系的晶格常褶皱高度以及带隙大小如表 3.1，为了证明二维薄膜的动力学稳定性，我们计算了 PbSnH2薄膜的声子谱，如图 3.1（b），所有声学分支都大于零，没有出现虚频，说SnH2薄膜是动力稳定的，图 3.1（d）给出了二维薄膜的布里渊区，在波矢空间内里渊区是正六边形。为了得到二维薄膜的最稳定状态，进行了扫描晶格常数，如图c）是能量随着晶格常数变化的趋势图，值得注意的是，对于 H 修饰的六种体系，个局域极小能量值，分别对应高褶皱和低褶皱相，六种体系的高褶皱范围是 3.21-，低褶皱范围是 0.68-0.80 , 低褶皱相比高褶皱的能量低。
本文编号：3232062
【文章来源】：济南大学山东省
【文章页数】：79 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
霍尔效应、量子霍尔效应、量子反常霍尔效应示意图
图 1.2 锡烯原理示意图和实验中制备锡烯示意图。另一方面，Rashba 自旋轨道耦合通常会导致自旋极化色散曲线与面内螺旋自旋结构方向相反[31]，这些性质大多发生在被破坏的非对称体系中，称这些结构为二维反演非对称拓扑绝缘体，这些材料在热电、p-n 结等方面更容易实现新的拓扑现象。在普通的半导体材料中，Rashba 自旋轨道耦合的作用很弱，Arguilla[32]等人利用 CaGe2–2xSn2x添加原子变为不对称 CaGe2–2xSn2xH1 x(OH)x结构，发现 Rashba SOC 自旋轨道耦合作用增大了，基于这些结论，我们预测第 IVA 族二维薄膜也具有强 Rashba 自旋轨道耦合作用的非平庸拓扑性质。量子反常霍尔[33-36]绝缘体拥有非平庸拓扑相，铁磁序（FM）和自旋轨道耦合自旋轨道耦合相互作用导致材料存在受拓扑保护的手性边缘态，它的拓扑非平庸性质表现在陈数不为 0。不像二维量子自旋霍尔[15,37-40]绝缘体存在成对的不同手性和自旋极化的螺旋形边缘态，量子反常霍尔绝缘体只存在单向的自旋流，因此量子反常霍尔绝缘体的边
[16]、铋烯[17],伴随着石墨烯[66]的成功制备，对二维薄膜材料进行功能化处理[21,26,6为研究的热点。此外，有机分子功能化修饰第 IVA 和 VA 族原子薄膜[24,25,72-74]的研现不仅可以增加结构的稳定性，而且可以改变薄膜本身平庸的绝缘体性质。本章中，我们设计了氢修饰第 IVA 族的一系列反演非对称体系，可以表示为 XYHY=Si，Ge，Sn，Pb)，二维 PbSnH2薄膜的主视图和侧视图，如图 3.1（a）。主视图似于石墨烯的六角蜂窝状结构，侧视图是带褶皱的三明治结构，六种体系的晶格常褶皱高度以及带隙大小如表 3.1，为了证明二维薄膜的动力学稳定性，我们计算了 PbSnH2薄膜的声子谱，如图 3.1（b），所有声学分支都大于零，没有出现虚频，说SnH2薄膜是动力稳定的，图 3.1（d）给出了二维薄膜的布里渊区，在波矢空间内里渊区是正六边形。为了得到二维薄膜的最稳定状态，进行了扫描晶格常数，如图c）是能量随着晶格常数变化的趋势图，值得注意的是，对于 H 修饰的六种体系，个局域极小能量值，分别对应高褶皱和低褶皱相，六种体系的高褶皱范围是 3.21-，低褶皱范围是 0.68-0.80 , 低褶皱相比高褶皱的能量低。
本文编号：3232062
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