無帶隙半導(dǎo)體材料電子態(tài)及其輸運(yùn)性質(zhì)研究.pdf

1、本文主要研究幾種零帶隙半導(dǎo)體材料的能帶色散關(guān)系及其產(chǎn)生機(jī)制，體系包括石黑烯、黑磷、受電場調(diào)控的硅烯和拓?fù)浣^緣體表面/邊緣態(tài)。第一章為緒論部分，簡要介紹各類無帶隙材料的特點(diǎn)及其實(shí)驗(yàn)制備，應(yīng)用前景。第二章，我們詳細(xì)介紹拓?fù)浣^緣體和石墨烯的電子結(jié)構(gòu)及各種類石墨烯材料的發(fā)展現(xiàn)狀。同時對產(chǎn)生零能模的機(jī)制、判斷方法做了詳細(xì)說明。除開最常見的二維石墨烯，三維拓?fù)浣^緣體表面，受電場調(diào)控的硅烯可能出現(xiàn)零帶隙的情況外。某些材料還可能在邊緣產(chǎn)生零能模。本文介

2、紹了三種判斷方式:最基礎(chǔ)直觀的判斷方法是計算出能帶色散關(guān)系，判斷其是否有帶隙。對于能帶的計算我們列舉了用有限差分計算受拓?fù)湎拗频碾p層石墨烯的能帶結(jié)構(gòu)。除此之外，我們介紹了通過解析體系哈密頓量，將哈密頓量用泡利矩陣做為基矢表出，如果波矢取遍布里淵區(qū)中所有的值，其哈密頓量在泡利空間中會形成一個閉合的圖線。借由閉合曲線是否包含原點(diǎn)可以判斷體系是否具有零能邊緣態(tài)。最后，文章介紹了計算體系的Winding number判斷其是否具有零能邊緣態(tài)的方

3、法。第三章闡述了計算一般體系輸運(yùn)性質(zhì)的傳輸矩陣方法，以及l(fā)anduaer buttiker公式。第四章和第五章是我們自己的工作，第四章是我們的研究重點(diǎn)內(nèi)容。我們研究了端接觸金屬硅烯異質(zhì)結(jié)以及面接觸金屬電極硅烯片的電輸運(yùn)性質(zhì)。首先求解格點(diǎn)薛定諤方程得到了端接觸體系的透射系數(shù)表達(dá)式，對比該表達(dá)式與石墨烯系統(tǒng)的表達(dá)式不難看出其重大區(qū)別是可由垂直電場和鐵磁調(diào)控的比例系數(shù)。利用landuaer buttiker公式數(shù)值計算體系的電導(dǎo)，發(fā)現(xiàn)在電場及

4、鐵磁調(diào)控下，可以出現(xiàn)自旋極化和谷極化的電導(dǎo)。定量計算了不同自旋不同谷的電子輸運(yùn)電導(dǎo)大小迥異，隨著硅烯散射區(qū)的長度變化，出現(xiàn)震蕩。然后研究了上壓金屬電極硅烯系統(tǒng)的輸運(yùn)性質(zhì)。相較端接觸硅烯系統(tǒng)，上壓金屬電極系統(tǒng)電導(dǎo)隨電場和鐵磁變化出現(xiàn)單調(diào)的增減但是沒有震蕩現(xiàn)象。最終我們發(fā)現(xiàn)在端接觸系統(tǒng)接觸良好，電子入射能量與硅烯跳躍能相當(dāng)時，接觸電阻消失。第五章我們利用漸進(jìn)臺階模型研究了三維拓?fù)浣^緣體表面的穿透深度分布，計算了掃描隧道顯微鏡隧穿電導(dǎo)在線缺陷