二維材料中的拓?fù)潆娮討B(tài)和超導(dǎo)特性.pdf

1、石墨烯(graphene)是一種由sp2雜化軌道特點(diǎn)的碳原子構(gòu)成的具有六邊形蜂巢結(jié)構(gòu)的二維晶體材料。伴隨著石墨烯的成功剝離，以石墨烯為代表的二維材料成為材料科學(xué)和凝聚態(tài)物理等領(lǐng)域的研究新熱點(diǎn)。石墨烯在費(fèi)米能級(jí)附近的電子能帶結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)線性的能量-動(dòng)量色散關(guān)系，因其滿足描述相對(duì)論粒子的狄拉克方程，這種能帶結(jié)構(gòu)被稱為狄拉克錐。石墨烯中的狄拉克錐為二維材料的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究提供了一個(gè)理想的模型，進(jìn)而促進(jìn)了自旋電子學(xué)和超導(dǎo)現(xiàn)象等領(lǐng)域的發(fā)展。基于石墨烯

2、晶格的Haldane模型和Kane-Mele模型是描述量子反常霍爾態(tài)和量子自旋霍爾態(tài)的最早理論模型，為二維材料中拓?fù)潆娮討B(tài)的后續(xù)研究打下了重要的理論基礎(chǔ);通過應(yīng)變和電荷摻雜可以有效地調(diào)節(jié)石墨烯中電子-聲子耦合強(qiáng)度，這為提高二維超導(dǎo)材料的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度提供了新的途徑，推動(dòng)了超導(dǎo)現(xiàn)象在新型二維材料中的研究進(jìn)展。另外，狄拉克錐特點(diǎn)的能帶結(jié)構(gòu)使石墨烯本身具有優(yōu)異的導(dǎo)熱導(dǎo)電性，促進(jìn)了對(duì)其他新型二維狄拉克材料的探索和研究。
　　在二維材料拓?fù)潆?/p>

3、子態(tài)和超導(dǎo)特性的研究領(lǐng)域，最大程度的增大拓?fù)浞瞧接箮逗统瑢?dǎo)能隙是研究的重點(diǎn)之一。尋找實(shí)驗(yàn)上合成的、具有更大能隙的二維拓?fù)浣^緣體和超導(dǎo)體有利于在更高的工作溫度下實(shí)現(xiàn)上述奇異的電子行為，從而為相應(yīng)電子態(tài)的實(shí)際應(yīng)用提供材料選擇。同時(shí)，探究二維拓?fù)潆娮討B(tài)和超導(dǎo)特性的產(chǎn)生和調(diào)控機(jī)制，對(duì)于提高拓?fù)鋷逗统瑢?dǎo)能隙或者產(chǎn)生新奇的量子現(xiàn)象具有重要意義，從而為設(shè)計(jì)、然后制備出具有更優(yōu)異性能的二維材料提供理論指導(dǎo)。
　　本論文以一系列新型二維材料為研

4、究對(duì)象，采用基于密度泛函理論的第一性原理計(jì)算方法，對(duì)自旋-軌道耦合所導(dǎo)致的拓?fù)浞瞧接剐院碗娮?聲子耦合所導(dǎo)致的超導(dǎo)特性展開了系統(tǒng)的理論預(yù)測(cè)和調(diào)控。所取得的代表性成果如下:
　　1、揭示了二維類石墨烯氮化碳材料（Graphitic Carbon Nitrides）中電子能帶結(jié)構(gòu)的調(diào)控規(guī)律，并成功證明了量子反?；魻枒B(tài)在這種輕質(zhì)元素材料中存在的可能性。針對(duì)實(shí)驗(yàn)上以Heptazine為結(jié)構(gòu)單元合成的二維類石墨烯氮化碳材料(g-C3N4)，

5、探討了空穴摻雜和拉伸應(yīng)變對(duì)電子自旋極化和磁性耦合方式的調(diào)控規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，預(yù)言了兩種具有自旋極化零帶隙半導(dǎo)體(Spin-GaplessSemiconductor)性質(zhì)的二維類石墨烯氮化碳材料:g-C10N9和g-C14N12。這兩種材料具有穩(wěn)定的鐵磁耦合基態(tài)，較強(qiáng)的自旋-軌道耦合效應(yīng)在費(fèi)米能級(jí)處打開了陳數(shù)(Chern number)為-1的拓?fù)浞瞧接箮?，比石墨烯的拓?fù)鋷洞笕齻€(gè)量級(jí)，對(duì)應(yīng)著更高的工作溫度。因此，量子反?；魻栃?yīng)有望在

6、這種不含金屬的輕質(zhì)元素材料中實(shí)現(xiàn)，為氮化碳材料的應(yīng)用打開了新的領(lǐng)域。
　　2、金屬原子和有機(jī)配體組成的二維金屬-有機(jī)材料(Metal-OrganicFrameworks，MOF)，具有豐富的晶體結(jié)構(gòu)構(gòu)型和新奇的物理特性。本論文針對(duì)具有Kagome晶格的二維有機(jī)拓?fù)浣^緣體材料:HTT-Pt，探究了電荷摻雜對(duì)這種二維材料的電子自旋極化和拓?fù)涮匦缘恼{(diào)控規(guī)律。從理論上預(yù)言了改變電子摻雜濃度可以導(dǎo)致HTT-Pt發(fā)生從普通絕緣體到量子自旋霍爾

7、絕緣體、再到量子反?；魻柦^緣體的轉(zhuǎn)變。同時(shí)，重金屬元素鉑(Pt)使HTT-Pt具有較強(qiáng)的自旋-軌道耦合作用，拓?fù)浞瞧接箮犊梢赃_(dá)到～42.5 meV。因此，通過適當(dāng)?shù)碾娮訐诫s，HTT-Pt有望在較高溫度下實(shí)現(xiàn)量子自旋甚至是量子反?；魻栃?yīng)。
　　3、得益于近年來實(shí)驗(yàn)納米技術(shù)手段的提高，關(guān)于二維材料或者原子層厚度材料超導(dǎo)特性的研究被建立起來，并且取得了巨大的進(jìn)步?；趯?shí)驗(yàn)上合成的、具有優(yōu)異導(dǎo)電性的金屬-有機(jī)材料:Cu-BHT，我們首

8、次從理論上預(yù)言了超導(dǎo)特性在MOF中存在的可能性。二維單層Cu-BHT的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度(Tc)約為4.43K，高于相應(yīng)三維塊體材料的轉(zhuǎn)變溫度(Tc≈1.58K)。對(duì)于這種異常的溫度-維度變化規(guī)律，我們也進(jìn)行了相應(yīng)的討論。對(duì)于單層Cu-BHT，銅原子和硫原子的低頻振動(dòng)模式與費(fèi)米能級(jí)附近恰當(dāng)?shù)碾娮討B(tài)之間具有較強(qiáng)的耦合作用;當(dāng)單層Cu-BHT堆垛成三維塊體材料時(shí)，較強(qiáng)的層間相互作用破壞了上述電子態(tài)，從而削弱了電子-聲子耦合強(qiáng)度。這與界面效應(yīng)等方式

9、提高二維材料超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的機(jī)制不同，對(duì)進(jìn)一步提升二維超導(dǎo)材料的超導(dǎo)能隙具有重要意義。
　　4、基于實(shí)驗(yàn)上合成的C36富勒烯薄膜，成功預(yù)言了一種由準(zhǔn)sp2-sp3軌道雜化碳原子形成的二維狄拉克材料:ph-graphene。與石墨烯類似，碳原子的p2軌道在費(fèi)米能級(jí)處形成了自旋簡(jiǎn)并的狄拉克錐，費(fèi)米速度可以達(dá)到2.8×105 m/s。氫原子吸附可以有效調(diào)控其電學(xué)性質(zhì)，包括產(chǎn)生電子自旋極化和打開帶隙等。同時(shí)，ph-graphene具有“柔軟