基于Ⅳ族元素的新型二維拓?fù)浣^緣體的理論設(shè)計(jì).pdf

1、二維拓?fù)浣^緣體（也稱為量子自旋霍爾效應(yīng)絕緣體）由于量子自旋霍爾效應(yīng)(QSHE)絕緣態(tài)受時(shí)間反演對(duì)稱性保護(hù)，避免了邊緣輸運(yùn)中低能量的散射，這種奇特性質(zhì)和在自旋電子學(xué)及量子計(jì)算中的應(yīng)用前景吸引理論凝聚態(tài)物理的研究興趣。為滿足實(shí)現(xiàn)這種效應(yīng)的應(yīng)用，理論研究預(yù)言了很多材料。然而，人們目前只有HgTe/CdTe和InAs/GaSb量子阱可以在極低溫下達(dá)到。尋找具有大帶隙的拓?fù)浣^緣體是增加實(shí)現(xiàn)溫度的關(guān)鍵。
　　拓?fù)浣^緣體拓?fù)鋷兜膩碓词亲孕壍?/p>

2、耦合效應(yīng)，因此體系自旋軌道耦合效應(yīng)越強(qiáng)，越可能是具有大帶隙的拓?fù)浣^緣體。我們知道，自旋軌道耦合效應(yīng)的來源是相對(duì)論效應(yīng)，其耦合強(qiáng)度和電子的機(jī)械動(dòng)量與電場(chǎng)強(qiáng)度成正比。在重元素原子組成的材料中，原子核電場(chǎng)強(qiáng)度很高，電子動(dòng)量大。因此重元素材料中更容易找到具有大帶隙的拓?fù)浣^緣體。因此本文將目光放在了Ge/Sn上。本文借助第一性原理計(jì)算，證明了兩種穩(wěn)定的大帶隙拓?fù)浣^緣體，即啞鈴形錫烷DB stanane和啞鈴形錫鍺化合物的氫化物DB Sn6Ge4H

3、4。
　　本文的結(jié)構(gòu)如下:
　　第一章是該論文的研究背景以及選題意義，包含三部分內(nèi)容——首先介紹了自旋電子學(xué)的研究背景和自旋軌道耦合效應(yīng)，得到重原子具有強(qiáng)自旋軌道耦合效應(yīng)的結(jié)論;隨后介紹了量子自旋霍爾效應(yīng)絕緣體研究現(xiàn)狀，包括量子自旋霍爾效應(yīng)奇特的性質(zhì)，實(shí)驗(yàn)上合成的量子自旋霍爾效應(yīng)絕緣體（HgTe/CdTe量子阱）存在的應(yīng)用障礙，以及目前理論提出的幾類大帶隙拓?fù)浣^緣體;最后介紹了Ⅳ族元素材料啞鈴形結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)、理論研究現(xiàn)狀以及Ⅳ

4、族二元化合物的研究現(xiàn)狀。
　　第二章介紹了該論文所采用計(jì)算方法，即第一性計(jì)算理論和計(jì)算工具。包括第一性計(jì)算的基本原理、密度泛函理論和一些大幅簡(jiǎn)化計(jì)算而對(duì)計(jì)算正確性影響較小的近似以及量子計(jì)算程序包VASP的介紹。
　　第三章中，借助第一性原理計(jì)算，本文證明了穩(wěn)定的具有啞鈴形結(jié)構(gòu)的氫化錫烯有312 meV（Γ點(diǎn)）和160 meV（體帶隙）的拓?fù)浞瞧椒矌?，拓?fù)湫再|(zhì)來自s-px,能帶翻轉(zhuǎn)，可由拓?fù)鋽?shù)Z2=1證明。納米帶表現(xiàn)出螺旋的

5、無帶隙的具有高費(fèi)米速度的邊界態(tài)，費(fèi)米速度與石墨烯的比擬。非平凡的拓?fù)鋺B(tài)對(duì)襯底是魯棒的。實(shí)現(xiàn)這種材料是實(shí)現(xiàn)室溫下的量子自旋霍爾效應(yīng)的可能途徑，且有助于構(gòu)建高速自旋電子器件。
　　第四章從啞鈴形錫烯結(jié)構(gòu)的能帶規(guī)律出發(fā)，用對(duì)啞鈴形錫烯進(jìn)行摻雜的方式得到了一種直接帶隙半導(dǎo)體——啞鈴形鍺錫化合物，并證明了氫化的啞鈴形鍺錫化合物是具有自旋軌道耦合帶隙166 meV的大帶隙拓?fù)浣^緣體。拓?fù)浞瞧椒残员煌負(fù)鋽?shù)Z2=1證明，與氫化引入的錫原子的s-p