二維拓?fù)浣^緣體電子結(jié)構(gòu)的理論研究.pdf

1、拓?fù)浣^緣體是最近幾年發(fā)現(xiàn)的一種新量子物態(tài)，因其具有新奇的物理特性，在自旋電子學(xué)和量子計(jì)算等領(lǐng)域有著非常重要的應(yīng)用價(jià)值。拓?fù)浣^緣體的體態(tài)表現(xiàn)為絕緣性，而表面態(tài)（對于三維拓?fù)浣^緣體）或者邊界態(tài)（對于二維拓?fù)浣^緣體）呈現(xiàn)為無帶隙的導(dǎo)電特性。并且，這種表面態(tài)或邊界態(tài)受到時(shí)間反演對稱性的保護(hù)，背散射被完全抑制，非常有希望用于實(shí)現(xiàn)低能耗的電子器件。
　　目前，很多材料已經(jīng)被理論預(yù)測為拓?fù)浣^緣體，并且部分在實(shí)驗(yàn)上得到了驗(yàn)證。其中，HgTe/Cd

2、Te量子阱和InAs/GaSb量子阱被證實(shí)是二維拓?fù)浣^緣體，即量子自旋霍爾絕緣體。在Bi1-xSbx、Bi2Se3、Bi2Te3和Sb2Te3等材料中可實(shí)現(xiàn)三維拓?fù)浣^緣體。不過，要實(shí)現(xiàn)基于拓?fù)浣^緣體的自旋電子學(xué)器件仍然需要克服一些困難。其中之一是拓?fù)浣^緣體的體態(tài)帶隙比較小，只有在極低溫條件下才能觀測到量子自旋霍爾效應(yīng)。另外如果體態(tài)帶隙太小，實(shí)驗(yàn)制備過程中產(chǎn)生的缺陷和有限溫度下的熱激發(fā)會導(dǎo)致其體內(nèi)產(chǎn)生載流子，將會干擾表面或邊界金屬態(tài)的測量

3、和利用。因此，尋找具有大帶隙的拓?fù)浣^緣體材料是下一步的努力方向。由于自旋軌道耦合效應(yīng)對獲得大帶隙拓?fù)浣^緣體發(fā)揮著重要的作用，而重金屬通常具有較大的自旋軌道耦合強(qiáng)度，因此很多研究主要集中在由Sn、Sb和Bi等重金屬元素組成的系統(tǒng)。
　　本文中，我們基于密度泛函理論預(yù)測了幾種具有大帶隙的二維拓?fù)浣^緣體材料，并且系統(tǒng)研究了應(yīng)力和化學(xué)吸附對其拓?fù)湫再|(zhì)的調(diào)節(jié)。本論文共分為七章。第一章介紹了有關(guān)拓?fù)浣^緣體的理論和實(shí)驗(yàn)方面研究。第二章介紹了密度

4、泛函理論并對本文采用的第一性原理計(jì)算軟件程序做了說明。第三章研究了Bi(111)薄膜的電子結(jié)構(gòu)和拓?fù)湫再|(zhì)，及化學(xué)吸附對Bi薄膜拓?fù)鋺B(tài)的調(diào)節(jié)。第四章研究了化學(xué)修飾As薄膜的拓?fù)湫再|(zhì)，及其拓?fù)湫再|(zhì)在應(yīng)力作用下變化規(guī)律。第五章主要研究了襯底和應(yīng)力對Sn薄膜電子結(jié)構(gòu)和拓?fù)湫再|(zhì)的影響。第六章主要闡述了應(yīng)力作用下-CH3吸附的Sn薄膜發(fā)生拓?fù)湎嘧兊脑颍⑻岢隽肆降鹂梢杂行е纹鋵?shí)現(xiàn)量子自旋霍爾效應(yīng)。第七章主要研究了-SiH3官能團(tuán)吸附對Ⅳ族

5、和V族元素組成的二維材料電子性質(zhì)的影響。最后是對本文內(nèi)容的總結(jié)和對拓?fù)浣^緣體的展望。主要內(nèi)容和結(jié)論如下:
　　(1)基于第一性原理計(jì)算方法，我們系統(tǒng)研究了Bi(111)薄膜的電子結(jié)構(gòu)和拓?fù)湫再|(zhì)隨厚度的變化規(guī)律。1層和2層的Bi薄膜是二維拓?fù)浣^緣體，且具有較大的非平庸帶隙，約為0.5 eV，而3-5層的Bi薄膜表面態(tài)呈現(xiàn)類金屬性。此外，發(fā)現(xiàn)在電場作用下1層Bi薄膜的拓?fù)湫再|(zhì)具有魯棒性，而2層Bi薄膜在電場作用下容易變成金屬特性。

6、r>　　另外，還研究了H和F原子吸附對1-5層Bi薄膜拓?fù)湫再|(zhì)的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)H和F吸附對1層Bi薄膜非平庸拓?fù)湫再|(zhì)并沒有影響，卻使帶隙變得更大，分別為1.08 eV和1.04 eV。H吸附使2層Bi薄膜的非平庸帶隙增大，而F吸附的Bi薄膜則呈現(xiàn)金屬性。對于3層Bi薄膜，H吸附使其打開一個(gè)0.33 eV的非平庸帶隙。對于4層和5層的Bi薄膜，H和F吸附后的體系均表現(xiàn)為金屬性。無論是吸附前和吸附后的Bi薄膜，電子性質(zhì)的變化主要源于層間耦合

7、作用對薄膜系統(tǒng)性質(zhì)的影響，同時(shí)，吸附原子軌道和Bi原子軌道雜化也會導(dǎo)致體系電子性質(zhì)的改變。
　　(2)我們預(yù)測在表面修飾的As薄膜中可以實(shí)現(xiàn)二維拓?fù)浣^緣體，其中包括H、-CH3和-OH等吸附。結(jié)果顯示純凈的As薄膜是普通絕緣體，具有平庸的間接帶隙。而H、-CH3和-OH表面吸附的As薄膜(AsH、AsCH3和AsOH)屬于二維拓?fù)浣^緣體，且具有較大能隙。AsH、AsCH3和AsOH薄膜的體帶隙分別是0.236 eV、0.184 e

8、V和0.304 eV。非零的Z2拓?fù)鋽?shù)和螺旋邊界態(tài)的存在證明了上述體系的拓?fù)浞瞧接固匦?。拓?fù)浔Ｗo(hù)的螺旋邊界態(tài)有希望實(shí)現(xiàn)低耗散電子輸運(yùn)。此外，我們發(fā)現(xiàn)這些二維拓?fù)浣^緣體的拓?fù)湫再|(zhì)對力學(xué)變形具有魯棒性。
　　同樣地，我們研究了鹵族元素（F、Cl、Br和I）吸附對As薄膜拓?fù)湫再|(zhì)的影響。發(fā)現(xiàn)AsF、AsCl、AsBr和AsI薄膜均屬于二維拓?fù)浣^緣體。它們的帶隙分別是0.194 eV、0.232 eV、0.240 eV和0.255 eV。

9、如此大的帶隙有助于在化學(xué)修飾的As薄膜中實(shí)現(xiàn)室溫量子自旋霍爾效應(yīng)，這些二維拓?fù)浣^緣體在未來電子器件中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。
　　(3)系統(tǒng)研究了不同應(yīng)力作用下，六方氮化硼（h-BN）和氮化鋁(AlN)襯底對Sn薄膜拓?fù)湫再|(zhì)的影響。發(fā)現(xiàn)當(dāng)Sn薄膜沉積在√3×√3 h-BN襯底上時(shí)，應(yīng)力在6.0％和9.3％之間，會產(chǎn)生量子自旋霍爾態(tài)。如果√7×√7 Sn薄膜沉積在5×5 h-BN上，不需要應(yīng)力作用就會出現(xiàn)量子自旋霍爾態(tài)。當(dāng)Sn薄膜沉積在

10、√3×√3AlN襯底上時(shí)，則需要較大應(yīng)力（大于10％）才會產(chǎn)生量子自旋霍爾態(tài)，而當(dāng)2×2 Sn薄膜在3×3 AlN上時(shí)，僅需要2％的壓縮應(yīng)力能產(chǎn)生量子自旋霍爾態(tài)，且?guī)杜c純凈Sn薄膜的帶隙相當(dāng)。襯底對Sn薄膜電子性質(zhì)的影響主要源于二者的晶格失配。以上計(jì)算結(jié)果有助于理解襯底和應(yīng)力對Sn膜基本性質(zhì)的影響，進(jìn)一步為實(shí)現(xiàn)量子自旋霍爾效應(yīng)提供了可能。
　　(4)尋找具有較大帶隙的量子自旋霍爾絕緣體有助于實(shí)現(xiàn)其在室溫低能耗電子器件的應(yīng)用。利用

11、第一性原理計(jì)算方法，我們預(yù)測-CH3吸附的Sn薄膜(SnCH3)在拉伸應(yīng)力作用下可以轉(zhuǎn)變?yōu)榱孔幼孕魻柦^緣體，臨界應(yīng)力約為6％。非零的拓?fù)洳蛔兞亢屯負(fù)浔Ｗo(hù)的螺旋邊界態(tài)進(jìn)一步證明了其非平庸特性。隨著應(yīng)力增加，s軌道和pxy軌道發(fā)生能帶翻轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致了拓?fù)湎嘧?。研究結(jié)果表明拉伸的SnCH3薄膜非常有希望實(shí)現(xiàn)量子自旋霍爾效應(yīng)。在保證SnCH3薄膜拓?fù)湫再|(zhì)不被破壞的情況下，提出h-BN是有效支撐SnCH3薄膜的理想襯底。
　　(5)我們系

12、統(tǒng)研究了-SiH3吸附對Sn、As、Sb和Bi薄膜電子性質(zhì)的影響。發(fā)現(xiàn)不考慮自旋軌道耦合情況下，SiH3吸附的Sn薄膜呈現(xiàn)絕緣體特性，費(fèi)米能級附近的導(dǎo)帶和價(jià)帶分別由s和pxy軌道主導(dǎo)。而SiH3吸附的As薄膜、Sb薄膜和Bi薄膜均呈現(xiàn)Dirac特性，費(fèi)米能級附近的能帶主要由pxy軌道貢獻(xiàn)?？紤]自旋軌道耦合后，-SiH3吸附的Sn薄膜的帶隙減小，但仍屬于絕緣體，說明它是普通絕緣體。但是，SiH3吸附的As薄膜、Sb薄膜和Bi薄膜在K點(diǎn)打開