二维薄膜堆垛成的三维拓扑金属/半金属

发布时间：2021-08-19 13:45

　　二维薄膜材料是近年来凝聚态物理领域关注的热点。随着材料制备技术的发展,许多二维薄膜材料被陆续制备出来,比如石墨烯、硅烯和硼烯等。这些材料中既有绝缘体,也有半导体、半金属和金属,它们可以广泛的应用到材料、微电子、生物等领域。同时,材料的拓扑性质是凝聚态物理的另一研究热点,半金属和金属由于具有丰富的拓扑相更是引起了大家的广泛关注。在拓扑半金属和金属中,其能带通过相交可以形成狄拉克点、三重简并点、节点线（Nodal line）和节点环（Nodal ring）等拓扑相,并受到不同种类的对称性保护。当材料的对称性破缺时,它的能带会产生有趣的拓扑相变。虽然一些二维薄膜材料也具有拓扑性质,但是由于维度的限制,与三维材料相比,它们的拓扑相种类较少。在本论文中,为了拓展二维薄膜材料的应用范围,发现新的拓扑相,我们通过堆垛二维薄膜的方式寻找三维拓扑材料,并对其拓扑性质进行研究。本论文分成五章:第一章,本章介绍了二维薄膜材料的主要成员,以及使用二维材料构造三维材料的方法。同时,介绍了拓扑理论的发展、拓扑半金属和金属的主要拓扑相。最后,介绍了该论文的研究意义和内容安排。第二章,本章介绍了密度泛函理论,紧束缚近... 

【文章来源】：湘潭大学湖南省

【文章页数】：50 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

图１．１?（ａ）石墨烯的超胞结构，单胞的晶格向量用红色箭头标识

?Ｍ?ｒ??图１．１?（ａ）石墨烯的超胞结构，单胞的晶格向量用红色箭头标识。石墨烯有两种边??界：扶手椅型边界（ａｒｍｃｈａｉｒ）和锯齿形边界（ｚｉｇｚａｇ）。（ｂ）石墨燦的三维能带图。??（ｃ）石墨烯的能带图。??石墨烯的结构与碳原子轨道有重要关联［４］。因为碳原子的一个ｓ轨道和两??个ｐ轨道之间可以形成ｓｐ２杂化，所以碳原子之间形成了三个〇键，也使石墨烯??形成了稳定结构。余下的ｐｚＷ道垂直于石墨烯平面，使临近碳原子之间形成了??Ｔｔ键。又因为碳原子的每个ｐ轨道上都应该有一个额外的电子，所以碳原子会??贡献出一个电子给ｐｚ轨道，使石墨稀里的ｉｔ键是半填满的（ｈａｌｆ?ｆｉｌｌｅｄ）。此??夕卜，石墨烯的低能导带和价带在费米能级上形成一个锥形交点，因为这种能带??结构可以用狄拉克方程来描述，所以该交点也称为狄拉克点。石墨烯的能带结??构说明，无质量狄拉克费米子存在于石墨烯中，并形成了许多新颖的物理性??质

其他晶格结构也可以构成二维薄膜材料。硼元素是继碳元素之后，另一个??具有多种二维薄膜材料的元素［１（）］。依据晶格结构的不同，我们可以将它们分为??三角晶格５６硼烯、六角晶格５３硼烯、三角和六角组合的ｏ／（３／Ｙ／Ｘ硼烯等，并用硼??原子的配位数（ｃｏｏｒｄｉｎａｔｉｏｎ?ｎｕｍｂｅｒ）来区分不同的类型。其中，因为ａ硼：丨希的??每个原子具有最大的形成能，所以是最稳定性的结构。ａ硼烯具有５或６的配??位数，硼原子只能形成五键或六键，这使得结构中的六边形是互不相邻的。ａ??硼烯也分为平整和起伏结构，它们分别被称为ａ硼烯和ａ１硼烯。在它们的声子??谱中，平整的ａ硼烯是有虚频的，这显示了它受到平面外的弯曲震动。ａ硼烯??需要取消这个虚频，必须将它的六键硼原子远离原子平面，形成有起伏的薄膜??结构，所以ａ硼烯可以变成能量更低的ａ１硼烯。此外，ａ硼烯的结构非常接近??于硼的一种足球烯结构Ｂｓ（，，这也类似于石墨烯和富勒烯的关系。??ａ硼烯的能带结构也是受人关注的焦点。ａ硼烯和ａ＇硼烯的能带都呈现了??金属性，并且一部分能带在费米能级上形成了类似狄拉克点的交点。在费米能??级附近，因为ａ硼烯和ａ１硼烯的ｐｚ轨道对能带起到了主要贡献，所以紧束缚模??


本文编号：3351523