拓?fù)浣^緣體.本科畢業(yè)論文

.-1-2016屆畢業(yè)論文2016屆畢業(yè)論文本本科畢業(yè)論文本科畢業(yè)設(shè)計(jì)〔題目：題目：新型拓?fù)浣^緣材料的研究..摘要拓?fù)浣^緣體是一種新的量子物態(tài),為近幾年來(lái)凝聚態(tài)物理學(xué)的重要科學(xué)前沿之一,已經(jīng)引起的巨大的研究熱潮。拓?fù)浣^緣體具有新奇的性質(zhì),雖然與普通絕緣體一樣具有能隙,但拓?fù)湫再|(zhì)不同,在自旋一軌道耦合作用下,在其表面或與普通絕緣體的界面上會(huì)出現(xiàn)無(wú)能隙、自旋劈裂且具有線性色散關(guān)系的表面/界面態(tài)。這些態(tài)受時(shí)間反演對(duì)稱性保護(hù),不會(huì)受到雜質(zhì)和無(wú)序的影響,由無(wú)質(zhì)量的狄拉克<Dirac>方程所描述。從廣義上來(lái)說(shuō),拓?fù)浣^緣體可以分為兩大類：一類是破壞時(shí)間反演的量子霍爾體系,另一類是新近發(fā)現(xiàn)的時(shí)間反演不變的拓?fù)浣^緣體,這些材料的奇特物理性質(zhì)存在著很好的應(yīng)用前景。理論上預(yù)言,拓?fù)浣^緣體和磁性材料或超導(dǎo)材料的界面,還可能發(fā)現(xiàn)新的物質(zhì)相和預(yù)言的Majorana費(fèi)米子,它們?cè)谖磥?lái)的自旋電子學(xué)和量子計(jì)算中將會(huì)有重要應(yīng)用。拓?fù)浣^緣體還與近年的研究熱點(diǎn)如量子霍爾效應(yīng)、量子自旋霍爾效應(yīng)等領(lǐng)域緊密相連,其基本特征都是利用物質(zhì)中電子能帶的拓?fù)湫再|(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)各種新奇的物理性質(zhì)。關(guān)鍵詞：拓?fù)浣^緣體,量子霍爾效應(yīng),量子自旋霍爾效應(yīng),Majorana費(fèi)米子..AbstractInrecentyears,oneoftheimportantfrontiersincondensedmatterphysics,topologicalinsulatorsareanewquantumstate,whichhasattractmanyresearchersattention.Topologicalinsulatorsshowsomenovelproperties,althoughnormalinsulatorhasthesameenergygap,buttopologicalpropertiesaredifferent.Undertheactionofspin-orbitcouplinginteraction,onthesurfaceororwithnormalinsulatorinterfacewillappeargapless,spin-splittingandwiththelineardispersionrelationofsurfaceorinterfacestates.Thesestatesareconservedbythetimereversalsymmetryandarenotaffectedbytheeffectoftheimpuritiesanddisorder,whichisdescribedbythemasslessDiracequation.Broadlydefined,topologicalinsulatorscanbeseparatedintotwocategories:aclassisdestroytimereversalofthequantumHallsystem,anotherkindisthenewlydiscoveredtimereversalinvarianttopologicalinsulators,peculiarphysicalpropertiesofthesematerialsexistverygoodapplicationprospect.Theoreticallypredicted,theinterfaceoftopologicalinsulatorsandmagneticorsuperconductingmaterial,mayalsofindnewmaterialphaseandtheprophecyofMajoranafermion,theywillhaveimportantapplicationsinthefuturespintronicsandquantumcomputing.Topologicalinsulatorsalsoarecloselylinkedwiththeresearchhotspotinrecentyears,suchasthequantumHalleffect,quantumspinHalleffectandotherfields.Itsbasiccharacteristicsaretoachieveavarietyofnovelphysicalpropertiesbyusingthetopologicalpropertyofthematerialoftheelectronicband.Keywords:Topologicalinsulator;quantumhalleffect;quantumspin-Halleffect;Majoranafermion..目錄TOC\o"1-2"\h\u26049引言 122298第一章拓?fù)浣^緣體簡(jiǎn)介2321131.1絕緣體、導(dǎo)體和拓?fù)浣^緣2210501.2二維拓?fù)浣^緣體360551.3三維拓?fù)浣^緣體327253第二章拓?fù)浣^緣體的研究進(jìn)展與現(xiàn)狀 5321222.1拓?fù)浣^緣體研究進(jìn)展510362.2拓?fù)浣^緣體的研究現(xiàn)狀619364第三章拓?fù)浣^緣體材料的制備方法與特性7216033.1拓?fù)浣^緣體的結(jié)構(gòu)718563.2拓?fù)浣^緣體的制備的制備810983.3拓?fù)渚B(tài)絕緣體制備954993.4拓?fù)浣^緣體的特性 911628結(jié)論 105563參考文獻(xiàn)1121594謝辭 13..引言拓?fù)浣^緣體是一種新的量子物態(tài),為近幾年來(lái)凝聚態(tài)物理學(xué)的重要科學(xué)前沿之一,已經(jīng)引起的巨大的研究熱潮。拓?fù)浣^緣體具有新奇的性質(zhì),雖然與普通絕緣體一樣具有能隙,但拓?fù)湫再|(zhì)不同,在拓?fù)浣^緣材料中,存在著很強(qiáng)的自旋軌道耦合,其電子結(jié)構(gòu)會(huì)呈現(xiàn)非平庸的拓?fù)涮匦?這使得拓?fù)浣^緣體的表面存在受拓?fù)浔Ｗo(hù)的金屬態(tài),具有非常奇妙的物理性質(zhì)。在自旋一軌道耦合作用下,在其表面或與普通絕緣體的界面上會(huì)出現(xiàn)無(wú)能隙、自旋劈裂且具有線性色散關(guān)系的表面/界面態(tài)。這些態(tài)受時(shí)間反演對(duì)稱性保護(hù),不會(huì)受到雜質(zhì)和無(wú)序的影響,由無(wú)質(zhì)量的狄拉克<Dirac>方程所描述。從廣義上來(lái)說(shuō),拓?fù)浣^緣體可以分為兩大類：一類是破壞時(shí)間反演的量子霍爾體系,另一類是新近發(fā)現(xiàn)的時(shí)間反演不變的拓?fù)浣^緣體,這些材料的奇特物理性質(zhì)存在著很好的應(yīng)用前景。拓?fù)浣^緣體的內(nèi)部是具有帶隙的,就像一個(gè)普通的絕緣體,但在其邊緣或表面態(tài)的導(dǎo)體特征是由于自旋軌道耦合相互作用和時(shí)間反演對(duì)稱性導(dǎo)致的。這種獨(dú)特的電子特征將使拓?fù)浣^緣體在未來(lái)可能成為電子技術(shù)發(fā)展的重要推動(dòng)力量,如拓?fù)浣^緣體潛在可以制成室溫〔甚至高溫下低能耗的自旋電子器件等[1]。因此,尋找新型具有大帶隙〔體內(nèi)電子態(tài)、高化學(xué)惰性、高熱穩(wěn)定性的強(qiáng)拓?fù)浣^緣體材料,將成為材料領(lǐng)域的重大焦點(diǎn)問(wèn)題之一。由于自旋軌道相互作用可導(dǎo)致拓?fù)浣^緣電子相,因此預(yù)測(cè)和在現(xiàn)實(shí)材料中探索拓?fù)浣^緣電子相的存在成為了凝聚態(tài)物理的一個(gè)全新的研究領(lǐng)域。本文以拓?fù)浣^緣體這一種全新的物質(zhì)形態(tài)作為研究中心,介紹拓?fù)浣^緣體的定義與分類,拓?fù)浣^緣體材料與絕緣體材料的區(qū)分和物理方面表現(xiàn)出來(lái)的特性,與其制備方法和對(duì)量子計(jì)算和基礎(chǔ)物理的多方面領(lǐng)域的重要作用。本文以拓?fù)浣^緣體這一種全新的物質(zhì)形態(tài)作為研究中心,介紹拓?fù)浣^緣體的定義與分類,拓?fù)浣^緣體材料與絕緣體材料的區(qū)分和物理方面表現(xiàn)出來(lái)的特性,與其制備方法和對(duì)量子計(jì)算和基礎(chǔ)物理的多方面領(lǐng)域的重要作用。第一章拓?fù)浣^緣體簡(jiǎn)介1.1絕緣體、導(dǎo)體和拓?fù)浣^緣按照導(dǎo)電性質(zhì)的不同,材料可分為"導(dǎo)體"和"絕緣體"兩大類。其中絕緣體材料在其費(fèi)米能級(jí)處存在著有限大小的能隙,沒(méi)有自由載流子,因此絕緣體是不善于導(dǎo)電的物質(zhì)；導(dǎo)體一般為金屬材料,金屬材料在費(fèi)米能級(jí)處存在著有限的電子態(tài)密度,進(jìn)而擁有自由載流子,導(dǎo)體則是電阻率很小易于導(dǎo)電的物質(zhì)。而更進(jìn)一步,根據(jù)電子態(tài)的拓?fù)湫再|(zhì)不同,"絕緣體"和"導(dǎo)體"還可以進(jìn)行更加細(xì)致的劃分,拓?fù)浣^緣體就是區(qū)別于其它絕緣體的一種絕緣體。拓?fù)涫茄芯繋缀挝矬w在連續(xù)的形變中保持不變的量,它的特點(diǎn)是對(duì)于細(xì)節(jié)和連續(xù)變化的不敏感。拓?fù)浣^緣體和人們認(rèn)識(shí)的絕緣體一樣是絕緣的,但是它的邊界或表面總是存在導(dǎo)電的邊緣態(tài),這是它有別于普通絕緣體的最獨(dú)特的性質(zhì)。圖1-1：金屬、絕緣體和拓?fù)浣^緣體的關(guān)系從理論上分析,這類材料的體內(nèi)能帶結(jié)構(gòu)是典型的絕緣體類型,在費(fèi)米能處存在著能隙,然而在這類材料的表面總是存在著穿越能隙的狄拉克型的電子態(tài),因而導(dǎo)致了其表面總是金屬性的,這樣的導(dǎo)電邊緣態(tài)是穩(wěn)度存在的,且不同自旋的導(dǎo)電電子的運(yùn)動(dòng)方向是相反的,所以信息的傳遞可以通過(guò)電子的自旋,而不像傳統(tǒng)的材料通過(guò)電荷,不涉及耗散過(guò)程。在絕緣材料中電子保持在每個(gè)原子和相鄰原子之間形成化學(xué)鍵附近的微觀尺度內(nèi)做局部運(yùn)動(dòng)。這種運(yùn)動(dòng)雖然沒(méi)有消耗,但是它卻無(wú)法傳導(dǎo)宏觀的電流。而對(duì)于導(dǎo)體中的電子是可以運(yùn)動(dòng)較長(zhǎng)的距離和傳導(dǎo)宏觀電流的,但是在電子長(zhǎng)距離的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中容易被雜質(zhì)和晶格震動(dòng)散射到不同的量子態(tài),這就導(dǎo)致了能量的損耗。拓?fù)浣^緣體的塊體內(nèi)部屬于能帶絕緣體,但由于電子結(jié)構(gòu)的特殊"拓?fù)?性質(zhì),其表面電子卻處于運(yùn)輸能力極強(qiáng)的超金屬態(tài),兩種表面相反的電子系統(tǒng)一于一體,并且來(lái)源于相同的物理本質(zhì),這一現(xiàn)象實(shí)在令人驚嘆物理規(guī)律的神奇精妙,從基礎(chǔ)研究的角度來(lái)看,拓?fù)浣^緣體具有深刻的物理和數(shù)學(xué)根源,是量子力學(xué)中的"相位"的一種非平庸體現(xiàn),完全沒(méi)有經(jīng)典力學(xué)的對(duì)應(yīng),從實(shí)際應(yīng)用的角度來(lái)看,拓?fù)浣^緣體內(nèi)稟的、高度穩(wěn)定和低耗散的表面運(yùn)輸機(jī)制成為實(shí)現(xiàn)高速、高效和低能耗的量子操控〔存儲(chǔ)、傳遞、計(jì)算的重要選材料,為新一代的革命性的信息材料提供了豐富的聯(lián)想空間[1]。1.2二維拓?fù)浣^緣體20XX以來(lái)凝聚態(tài)物理學(xué)界的重大進(jìn)展之一就是在具有強(qiáng)自旋軌道耦合的材料中預(yù)言和發(fā)現(xiàn)了這類拓?fù)浣^緣體。21世紀(jì)初,張首晟帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開(kāi)始研究二維拓?fù)浣^緣體,也就是量子自旋霍爾效應(yīng)?；魻栃?yīng)最初是由科學(xué)家埃德溫·霍爾在19世紀(jì)末發(fā)現(xiàn),即通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)作用下使電流運(yùn)動(dòng)方向改變90o。1980年,科學(xué)家又發(fā)現(xiàn)在極低溫和強(qiáng)磁場(chǎng)條件下,霍爾效應(yīng)會(huì)呈現(xiàn)電子按順時(shí)針沿導(dǎo)體邊緣運(yùn)動(dòng),即量子化的表現(xiàn)形式,這就是量子霍爾效應(yīng)。與無(wú)序運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致熱量消耗相比,量子霍爾效應(yīng)中的電流幾乎沒(méi)有能量損失,由此引發(fā)了科學(xué)界研制新的電腦元器件的設(shè)想。最早的拓?fù)浣^緣體理論模型是建立在當(dāng)時(shí)發(fā)現(xiàn)不久的石墨烯上面的,然而由于碳原子的自旋軌道耦合效應(yīng)很弱,這個(gè)理論模型其實(shí)不能在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)。于是人們就開(kāi)始在重元素組成的材料中尋找量子自旋霍爾效應(yīng)。研究人員發(fā)現(xiàn),典型的二維的拓?fù)浣^緣體是HgTe/CdTe量子阱,HgTe/CdTe量子阱具有很強(qiáng)的自旋軌道耦合,而且其導(dǎo)帶和價(jià)帶的相對(duì)位置可以通過(guò)其中HgTe層的厚度來(lái)調(diào)節(jié)[2]。張首晟等人發(fā)現(xiàn),HgTe/CdTe量子阱存在一個(gè)臨界厚度,當(dāng)量子阱的厚度小于時(shí),體系是正常的絕緣體,吧費(fèi)米面調(diào)控到能隙中,電導(dǎo)為零,但當(dāng)量子阱的厚度大于時(shí),體系呈現(xiàn)特殊的狀態(tài),這時(shí)把費(fèi)米能級(jí)調(diào)控到帶隙中,電導(dǎo)為一個(gè)定值[3]。1.3三維拓?fù)浣^緣體20XX,時(shí)間反演不變的拓?fù)浣^緣體在理論上由二維系統(tǒng)推廣到了三維系統(tǒng)[4-6]。所有時(shí)間反演不變的二維拓?fù)浣^緣體系統(tǒng)可以用拓?fù)鋽?shù)來(lái)分類,這個(gè)概念還可以推廣到時(shí)間反演不變的三維系統(tǒng)。三維拓?fù)浣^緣體有八個(gè)時(shí)間反演不變的動(dòng)量：〔1-1其中為倒易晶格的基矢,,。此時(shí)共有四個(gè)指標(biāo),,,,定義為〔1-2除外,均依賴于基矢的選擇,把不變量看作倒格矢的晶向指數(shù),即〔1-3當(dāng)時(shí),系統(tǒng)的拓?fù)鋺B(tài)可以由來(lái)區(qū)分；當(dāng)是奇數(shù)時(shí),體系為弱拓?fù)浣^緣體；當(dāng)時(shí),體系為強(qiáng)拓?fù)浣^緣體。三維拓?fù)浣^緣體的性質(zhì)是類似的,其體內(nèi)是能帶絕緣體,表面上則有表面態(tài)。三維體系的表面是二維的,可以在面內(nèi)任何方向運(yùn)動(dòng)。由于多了一個(gè)維度,這種二維表面態(tài)比一維邊緣態(tài)更值得去研究。三維拓?fù)浣^緣體的表面態(tài)可以用純粹的自旋軌道耦合模型來(lái)描寫(xiě),其低能有效理論可以寫(xiě)成[7]〔1-4其中是體系的費(fèi)米速度,是泡利矩陣?？梢钥吹诫娮拥淖孕推滠壍肋\(yùn)動(dòng)完全耦合在一起。二維表面態(tài)的行為在低能范圍內(nèi)遵從無(wú)質(zhì)量狄拉克方程,其能量-動(dòng)量的關(guān)系并不是平方函數(shù),而是線性的。這種能帶結(jié)構(gòu)在變量,,構(gòu)成的三維空間中的形狀是兩個(gè)針?shù)h相對(duì)在一起的圓錐,它們的共同頂點(diǎn)稱為狄拉克點(diǎn)。這兩個(gè)接在一起的圓錐被稱為一個(gè)"狄拉克錐",屬于一個(gè)狄拉克方程[7]。三維拓?fù)浣^緣體非同尋常的性質(zhì)還有很多。比如,在拓?fù)浣^緣體的介質(zhì)中,電磁學(xué)的麥克斯韋方程需要加上一個(gè)拓?fù)漤?xiàng),從而導(dǎo)致了拓?fù)浯烹娦?yīng)。一個(gè)具體的例子就是磁單極子現(xiàn)象；三維拓?fù)浣^緣體表面態(tài)之外不遠(yuǎn)處的電荷會(huì)感應(yīng)出一個(gè)電磁場(chǎng),這個(gè)電磁場(chǎng)等效于一個(gè)鏡像電荷和一個(gè)磁單極子作用的疊加。拓?fù)浣^緣體的研究進(jìn)展與現(xiàn)狀2.1拓?fù)浣^緣體研究進(jìn)展最近,清華大學(xué)物理系薛其坤、陳曦與賈金鋒等組成的研究團(tuán)隊(duì),在拓?fù)浣^緣體的實(shí)驗(yàn)方面取得了一系列突破性的進(jìn)展。他們與中國(guó)科學(xué)物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室馬旭村研究領(lǐng)導(dǎo)的研究組合作,利用分子束外沿技術(shù),在硅、碳化硅和藍(lán)寶石等單晶襯底上制備除了原子及平整的高質(zhì)量三位拓?fù)浣^緣體〔、和薄膜。原位角分辨光電子能譜測(cè)量顯示,這些薄膜具有本征的絕緣體特征三維拓?fù)浣^緣體的量子薄膜的實(shí)現(xiàn)為理論預(yù)言的量子反?；魻栃?yīng)、巨大熱電效應(yīng)、激子凝聚等新奇量子現(xiàn)象的研究提供的基礎(chǔ),是拓?fù)浣^緣材料制備方面的一個(gè)重要進(jìn)展。利用這些高質(zhì)量的薄膜材料,他們發(fā)現(xiàn)了拓?fù)浣^緣材料特有的背散射缺失現(xiàn)象,從實(shí)驗(yàn)上證明了拓?fù)淞孔討B(tài)受時(shí)間反演對(duì)稱性的保護(hù),觀察了這種特殊的"二維電子氣"在外磁場(chǎng)下的量子化行為〔物理學(xué)上稱為"朗道量子化",證明了它具有無(wú)質(zhì)量狄拉克費(fèi)米子的特征。同時(shí),研究人員也在拓?fù)浣^緣體的研究中發(fā)現(xiàn)了磁性摻雜拓?fù)浣^緣體中由能帶拓?fù)淞孔酉嘧兌鴮?dǎo)致的磁性量子的相變。在此工作中對(duì)材料的組分的精確控制而改變子線軌道耦合強(qiáng)度,從而可以主動(dòng)調(diào)節(jié)拓?fù)浣^緣體材料的能帶拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),并最終誘導(dǎo)了一個(gè)磁性量子相變。這一發(fā)現(xiàn)大大加深了人們對(duì)拓?fù)浣^緣體的拓?fù)湫再|(zhì)和磁學(xué)性質(zhì)的理解和調(diào)控能力,為將來(lái)尋找由時(shí)間反演對(duì)稱性破缺而導(dǎo)致的奇異量子現(xiàn)象,以及可能的器件應(yīng)用提供了一個(gè)理想的平臺(tái)。近日,北京大學(xué)物理學(xué)院量子材料科學(xué)中心王健研究員與中心謝心澄教授、香港大學(xué)謝茂海教授、XX大學(xué)王勇教授等人合作,首次對(duì)拓?fù)浣^緣體/普通絕緣體〔/超晶格的量子輸運(yùn)特性展開(kāi)系統(tǒng)研究。在低溫強(qiáng)磁場(chǎng)下對(duì)不同拓?fù)浣^緣體層厚的/超晶格的電輸運(yùn)測(cè)量發(fā)現(xiàn)：改變其中拓?fù)浣^緣體層的厚度會(huì)導(dǎo)致體系的量子輸運(yùn)維度從三維轉(zhuǎn)變?yōu)槎S。該結(jié)果證實(shí)了人工調(diào)控拓?fù)洳牧衔镄缘目尚行?是拓?fù)浣^緣體超晶格量子輸運(yùn)特性的首次報(bào)道。這一工作為新量子態(tài)的探索,也為研發(fā)人工調(diào)制的拓?fù)洳牧霞捌湓诖烹?、熱電和自旋電子學(xué)等方面的潛在應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。2.2拓?fù)浣^緣體的研究現(xiàn)狀從理論上說(shuō),拓?fù)浣^緣體是由電荷的U〔1對(duì)稱性以及時(shí)間反演對(duì)稱性共同保護(hù)的拓?fù)鋺B(tài)。只要U〔1對(duì)稱性和時(shí)間反演對(duì)稱性同時(shí)存在,拓?fù)浣^緣體的邊緣態(tài)就一定是非平庸的,并且,這樣的邊緣態(tài)絕對(duì)不能在有同樣對(duì)稱性的低維度系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)。在理論上人們已經(jīng)意識(shí)到,其他的對(duì)稱性同樣可以保護(hù)類似的拓?fù)浣^緣體〔或者拓?fù)涑瑢?dǎo)體,取決于對(duì)稱性中是否包括電荷的U〔1對(duì)稱性。并且,從20XX以來(lái),人們已經(jīng)對(duì)沒(méi)有相互作用的費(fèi)米子系統(tǒng)的所有拓?fù)浣^緣體或者拓?fù)涑瑢?dǎo)體進(jìn)行了成功分類。20XX以來(lái),拓?fù)浣^緣體的概念已經(jīng)被拓展成為一個(gè)更為寬泛的概念：symmetryprotectedtopologicalstates。目前,凝聚態(tài)理論物理學(xué)界已經(jīng)對(duì)各個(gè)維度的玻色子系統(tǒng)中symmetryprotectedtopologicalstates的分類還沒(méi)有最后完成。從現(xiàn)象上說(shuō),拓?fù)浣^緣體有其他絕緣體所不具備的特殊性質(zhì)。比如,根據(jù)理論預(yù)測(cè),三維拓?fù)浣^緣體與超導(dǎo)體的界面上的vortexcore中將會(huì)形成零能Majorana費(fèi)米子,這一特點(diǎn)有可能實(shí)現(xiàn)拓?fù)淞孔佑?jì)算。拓?fù)浣^緣體材料的制備方法與特性拓?fù)浣^緣體的特殊結(jié)構(gòu)決定了拓?fù)浣^緣體材料具有一些獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。拓?fù)浣^緣體的體電子態(tài)為絕緣態(tài),而在其表面卻有自旋相關(guān)的導(dǎo)電通道,這就說(shuō)明了拓?fù)浣^緣體在自旋電子學(xué)方面具有潛在的應(yīng)用前景。以下就以和SnTe為例,介紹拓?fù)浣^緣體的特性,及其制作方法。20XX,普林斯頓大學(xué)的實(shí)驗(yàn)小組夏等用ARPES和第一原則的計(jì)算方法。對(duì)表面的能帶結(jié)構(gòu)做了研究,他們觀測(cè)到拓?fù)浣^緣體的一個(gè)特有的信號(hào)：一個(gè)單獨(dú)的狄拉克圓錐[8]。20XX中國(guó)科學(xué)院物理研究所和北京凝聚態(tài)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的張海軍等人與美國(guó)斯坦福大學(xué)的張守晟合作完成了相應(yīng)的理論工作,他們用電子結(jié)構(gòu)的分析方法表明,只是許多有大能隙拓?fù)浣^緣體中的一種,很可能在將來(lái)的試驗(yàn)中成為比更好地參考材料[9]。3.1拓?fù)浣^緣體的結(jié)構(gòu)和是近幾年拓?fù)浣^緣材料研究的焦點(diǎn),它們都是由第V主族和VI主族的元素構(gòu)成,晶體的結(jié)構(gòu)都屬于<R>六方晶系。在沿著C軸的方向上,和晶體可視為六面體層化合物,每一層的原子面上只具有相同的原子種類,每?jī)蓚€(gè)Bi單原子層和Se〔Te單原子層按照Se〔Te〔1-Bi-Se〔Te〔2-Bi-Se<Te><1>的[排布方式組成一個(gè)含有五個(gè)原子層的周期結(jié)構(gòu),稱為五原子層的周期結(jié)構(gòu),稱五原子層〔Quintuplelayer,簡(jiǎn)稱QL如圖3-1所示。圖3-1和的層狀晶體結(jié)構(gòu)圖拓?fù)浣^緣體的表面拓?fù)湫再|(zhì)很容易被體態(tài)掩蓋,導(dǎo)致難以觀察到拓?fù)浣^緣現(xiàn)象。由于納米材料具有大的比表面積,所以納米結(jié)構(gòu)有利于研究其獨(dú)特的表面態(tài),在探究自旋電子學(xué)的潛在應(yīng)用方面也具有優(yōu)勢(shì)[10-12]。3.2拓?fù)浣^緣體的制備的制備目前制備的由于存在Se空位和環(huán)境誘導(dǎo)的重電子摻雜,使得其拓?fù)浔砻嫘再|(zhì)被體態(tài)掩蓋,難以觀察到拓?fù)浣^緣現(xiàn)象Hsish等人20XX在中摻雜,使體系費(fèi)米能級(jí)調(diào)制能隙之中[13]。20XX,Jin等通過(guò)理論急計(jì)算得出當(dāng)S取代表面層的Se原子時(shí),其電子態(tài)表面不會(huì)發(fā)生多大變化,但是當(dāng)O取代Se原子時(shí),狄拉克點(diǎn)將移至高能帶區(qū)域[14]。和異質(zhì)結(jié)構(gòu)的制備與表征[3]：第一步,生長(zhǎng)納米片。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究作者發(fā)現(xiàn)一般納米片的大小小于納米片的大小,所以先生長(zhǎng)納米片作為基底。第二步,用記號(hào)筆在硅片表面,畫(huà)上井字型的網(wǎng)格,的,在每一個(gè)網(wǎng)格中點(diǎn)一個(gè)點(diǎn)。第三步,定位,記下沒(méi)個(gè)網(wǎng)格的編號(hào)。第四步,在硅片上選取較大的納米片,作為參考基準(zhǔn),多選幾個(gè)。選完之后進(jìn)行AFM的測(cè)量第五步,每一個(gè)樣品都需要掃一份小的AFM圖和一份更大范圍的,如的,幫助后面的二次沉淀之后的定位。3.3拓?fù)渚B(tài)絕緣體制備碲化錫是一種新型的拓?fù)浣^緣材料,它是由晶體結(jié)構(gòu)鏡面對(duì)稱性的金屬態(tài)表面保護(hù)的。與傳統(tǒng)的時(shí)間反演對(duì)稱性保護(hù)的Z2型拓?fù)浣^緣體不同,以碲化錫為代表的新型拓?fù)浣^緣體可以稱為"拓?fù)渚B(tài)絕緣體"。角分辨光電子能譜實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了碲化錫表面態(tài)的第一布里淵區(qū)存在著四個(gè)狄拉克錐,即偶數(shù)個(gè)能帶反轉(zhuǎn)點(diǎn)。壓力可以調(diào)制帶隙,進(jìn)而改變材料的基本電子特性。壓力可以改變碲化錫立方相的穩(wěn)定性和帶隙的變化,這對(duì)拓?fù)浣^緣體的實(shí)際應(yīng)用具有重要的探索意義。碲化錫是一種典型的窄帶隙半導(dǎo)體,其帶隙值隨溫度、摻雜和壓強(qiáng)等極端條件的變化而變化。所以我們利用高壓同步輻射實(shí)驗(yàn)結(jié)合第一性原理理論的計(jì)算方法對(duì)碲化錫進(jìn)行系統(tǒng)的高壓結(jié)構(gòu)研究,確定碲化錫在常溫高壓下的復(fù)雜結(jié)構(gòu)相變過(guò)程。圖3-3的面心立方結(jié)構(gòu)圖3-3的面心立方結(jié)構(gòu)我們基于粒子群優(yōu)化算法〔CALYPSO>[41,132]結(jié)合第一性原理計(jì)算方法,對(duì)SnTe在0-60GPa的壓強(qiáng)環(huán)境下,進(jìn)行了原胞含有1-4倍形成單元的結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)。采用基于Perdew-Burke-Ernzerh的廣義梯度近似[103]處理交換關(guān)聯(lián)勢(shì),程序執(zhí)行的軟件包為VASP[133]。3.4拓?fù)浣^緣體的特性拓?fù)浣^緣體的特異性結(jié)構(gòu)決定了拓?fù)洳牧系莫?dú)特的優(yōu)點(diǎn)。這類材料是純的化學(xué)相,非常穩(wěn)定且容易合成；其次表面態(tài)只有一個(gè)狄拉克點(diǎn)的存在,是最簡(jiǎn)單的強(qiáng)拓?fù)浣^緣體,也為理論模型的研究提供了很好的平臺(tái)；最重要的是這種材料的體能隙非常大,遠(yuǎn)遠(yuǎn)的超出了室溫能量尺度,意味著可能實(shí)現(xiàn)室溫低能耗的自旋電子器件。這些重要的特征保證了拓?fù)浣^緣體將有可能在未來(lái)的電子技術(shù)發(fā)展中獲得重要的應(yīng)用,有著巨大的應(yīng)用潛力。目前,尋找具有足夠大的體能隙并且具有化學(xué)穩(wěn)定性的強(qiáng)拓?fù)浣^緣體材料,已經(jīng)成為了人們關(guān)注和研究的焦點(diǎn)。結(jié)論拓?fù)浣^緣體具有新奇的性質(zhì),雖然與普通絕緣體一樣具有能隙,但拓?fù)湫再|(zhì)不同,在拓?fù)浣^緣材料中,存在著很強(qiáng)的自旋軌道耦合,其電子結(jié)構(gòu)會(huì)呈現(xiàn)非平庸的拓?fù)涮匦?這使得拓?fù)浣^緣體的表面存在受拓?fù)浔Ｗo(hù)的金屬態(tài),具有非常奇妙的物理性質(zhì)。因此,尋找新型具有大帶隙〔體內(nèi)電子態(tài)、高化學(xué)惰性、高熱穩(wěn)定性的強(qiáng)拓?fù)浣^緣體材料,將成為材料領(lǐng)域的重大焦點(diǎn)問(wèn)題之一。本文以拓?fù)浣^緣體這一種全新的物質(zhì)形態(tài)作為研究中心,介紹了拓?fù)浣^緣體的定義與分類,并且對(duì)拓?fù)浣^緣體材料與絕緣體材料就其物理特性得不同,加以區(qū)分。另外,本文還以為例,介紹了拓?fù)浣^緣體的特性,及其制作方法。參考文獻(xiàn)[1]周丹.SnTe高壓結(jié)構(gòu)相變與物性研究.〔XX大學(xué)博士學(xué)位論文,2014[2]張艷陽(yáng).拓?fù)浣^緣體簡(jiǎn)介.Vol.35No.12Dec.2013物理教學(xué)報(bào)[3]陸浩然.幾種拓?fù)浣^緣體微結(jié)構(gòu)材料的制備及其相干輸運(yùn)觀察.〔XX大學(xué)碩士學(xué)位論文,2015[4]J.E.MooreandL.Balents,Topologicalinvariantsoftime-reversal-invariantbandstructure,Phys.Rev.75,121306<R><2007>[5]R.Roy,TopologicalinsulatorsinThreeDimensions,Phys.Rev.Lett.79,195322<2009>[6]L.Fu,C.L.Kane,andE.J.Mele,TopogicalinsulatorsinThreeDimensions,Phys.Rev.Lett.98,106803<2007>[7]ZhangH,LiuC