硅烯拓扑特性及输运性质研究

发布时间：2017-08-18 18:18

  本文关键词：硅烯拓扑特性及输运性质研究

  更多相关文章： 硅烯 电场调控 自旋分离 拓扑相(变) 量子输运

【摘要】：硅烯与石墨烯相似,都具有蜂窝状的晶格结构,在布里渊区存在狄拉克点以及能谱在零能附近为线性色散关系。硅烯还表现出另外一些特性,具有弱翘曲晶格结构,也就是A子格和B子格并不在同一平面,而是有一个间距为2=0.066 nm的层错,提供了用外电场调控AB子晶格势进而调控硅烯拓扑特性的可能和便利。而且硅烯具有较大的内禀自旋轨道耦合,更易于在室温下观测到量子自旋Hall效应,也有利于推动自旋电子学的发展。利用硅烯制造电子器件可以和目前应用广泛的硅基电子产业无缝兼容。自从2012年首次成功合成硅烯以来,众多实验研究人员在不同的衬底上制备出较高质量的硅烯。随着实验技术不断改进,所制造硅烯的质量也会越来越好。首先,我们研究了在栅电压和外禀Rashba自旋轨道耦合作用下双层硅烯的拓扑特性,当Rashba自旋轨道耦合较小时体系为带绝缘相,但当Rashba自旋轨道耦合比较大时体系将处于强拓扑绝缘相,可以得到自旋和谷同时过滤的边界电流。而且边界电流在内禀自旋轨道耦合和内禀Rashba自旋轨道耦合的影响下保持很好的鲁棒性,所以所得到的强拓扑绝缘相具有很好的稳定性。当一个可以产生层间Rashba自旋轨道耦合的倾斜电场出现时,无论栅电压和外禀Rashba自旋轨道耦合强弱体系将一直处于带绝缘相。这提醒我们不仅可以通过控制电场的强度还可以通过控制电场的方向来实现从带绝缘相到强拓扑绝缘相的相变。其次,在研究双层硅烯拓扑特性的过程中,我们发现双层硅烯和双层石墨烯表现出不同的特性,为了能够系统地研究硅烯家族材料的特性,我们研究了双层六角晶格材料中的量子谷Hall相、单边量子谷Hall相和绝缘相以及各相之间的拓扑相变。不同双层体系之间的异同主要是层间相互作用强弱的差距,当t⊥/t1时体系处于量子谷Hall相,但当层间相互作用比较强时t⊥/t1,体系变为带绝缘相。而当层间相互作用为临界值t⊥/t=1时,体系则处于单边量子谷Hall相。这些拓扑量子相间的相变也可以通过调控栅电压和AB子晶格势的强度来实现。而且在单边量子谷Hall相中更易于得到纯的谷电流,推动谷电子学的发展。最后,在垂直磁场和非均匀外电场的单层硅烯中得到空间分离的自旋极化电流。通过调控外电场强度可以得到不同类型和不同自旋指向的自旋极化电流,而且所得到的自旋极化电流在非磁性杂质和无序的影响下保持很好的鲁棒性。由于在自旋分离的过程中体系不会发生拓扑相变,所以体系一直处于量子自旋Hall相。通过调控费米能级也可以实现从量子自旋Hall相到自旋过滤相的转变。
【关键词】：硅烯 电场调控 自旋分离 拓扑相(变) 量子输运
【学位授予单位】：新疆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O613.72
【目录】：

• 摘要2-4
• Abstract4-8
• 1 绪论8-13
• 1.1 硅烯结构及其特点8-10
• 1.1.1 硅烯能带结构8-10
• 1.1.2 硅烯几何结构10
• 1.2 硅烯制备及应用前景10-13
• 1.2.1 硅烯制备10-11
• 1.2.2 硅烯应用前景11-13
• 2 理论模型及研究方法13-20
• 2.1 紧束缚模型13-14
• 2.1.1 无磁场作用的紧束缚模型13
• 2.1.2 垂直磁场作用下的紧束缚模型13-14
• 2.2 自旋轨道耦合14-15
• 2.2.1 内禀自旋轨道耦合14
• 2.2.2 外禀自旋轨道耦合14-15
• 2.3 垂直电场以及交换场作用15
• 2.4 Chern number（陈数）计算方法15-16
• 2.5 Green函数方法16-18
• 2.6 量子自旋Hall效应18-19
• 2.7 量子谷Hall效应19-20
• 3 双层硅烯中的拓扑绝缘态20-27
• 3.1 引言20-21
• 3.2 理论模型21-22
• 3.3 强拓扑绝缘态及拓扑相变22-26
• 3.4 内禀自旋轨道耦合对强拓扑绝缘态的影响26
• 3.5 本章小结26-27
• 4 双层二维六角晶格中的量子谷Hall态27-35
• 4.1 引言27-28
• 4.2 理论模型28-29
• 4.3 拓扑态和拓扑相变29-33
• 4.4 本章小结33-35
• 5 非均匀电场作用下铁磁硅烯中的自旋空间分离及自旋过滤35-47
• 5.1 引言35-37
• 5.2 理论模型37
• 5.3 界面态、自旋分离及过滤电流37-43
• 5.3.1 CT-不变量子自旋Hall效应37-40
• 5.3.2 边界态部分分离40-41
• 5.3.3 边界态完全分离41-43
• 5.4 电场调控下的拓扑相变43-46
• 5.5 本章小结46-47
• 6 总结与展望47-49
• 参考文献49-59
• 攻读硕士学位期间所做的工作59-60
• 致谢60-61

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本文编号：696038