拓?fù)浣^緣體及其性質(zhì)的研究.pdf

1、拓?fù)浣^緣體作為一種新的物態(tài)，在凝聚態(tài)物理，材料科學(xué)等方向引起了人們的廣泛關(guān)注。與普通絕緣體截然不同之處是，拓?fù)浣^緣體擁有拓?fù)浔Ｗo(hù)且無能隙的邊界或表面態(tài)，這些邊界或表面態(tài)不受非磁性雜質(zhì)和微擾的影響。拓?fù)浣^緣體的拓?fù)湫杂蒢2不變量來描述。近幾年的研究表明拓?fù)浣^緣體會表現(xiàn)出一些奇異的現(xiàn)象，并被認(rèn)為在自旋電子學(xué)以及量子計(jì)算機(jī)等方向具有很多潛在的應(yīng)用。本文通過拓?fù)淠軒Ю碚摚⒔Y(jié)合核多項(xiàng)式方法、第一性原理計(jì)算，研究了二維、三維拓?fù)浣^緣體的拓?fù)湫再|(zhì)。

2、具體的研究內(nèi)容和結(jié)果包括:
　　1.利用緊束縛近似方法，首次指出α-graphyne品格可以支持拓?fù)湎嗟拇嬖?。通過計(jì)算Z2拓?fù)洳蛔兞恳约斑吔鐟B(tài)來確定拓?fù)浣^緣體。同時，給出了不同填充因子下α-graphyne的相圖，該相圖是自旋軌道耦合相互作用和最近鄰耦合作用的函數(shù)。發(fā)現(xiàn)對于不同的填充因子僅存在兩種拓?fù)湎?普通能帶絕緣體和拓?fù)浣^緣體，而沒有金屬相的存在。隨后分析和討論了α-graphyne各種拓?fù)湎噙吔鐟B(tài)的特征。
　　2.目前

3、對于石墨烯中安德森無序引起的局域化是否滿足單參量標(biāo)度理論的問題一直爭論不休，因而研究無序?qū)ν瑯泳哂械依私Y(jié)構(gòu)的graphyne族晶格局域化的影響將是十分有意義的。利用緊束縛方法以及變系數(shù)核多項(xiàng)式方法，分析了安德森無序?qū)Ζ?graphyne薄片局域化性質(zhì)的影響。為了區(qū)分局域態(tài)和擴(kuò)展態(tài)，比較了局域態(tài)密度的兩個特征量:標(biāo)準(zhǔn)態(tài)密度ρty以及平均態(tài)密度ρmc。發(fā)現(xiàn)不同于石墨烯薄片，β-graphyne態(tài)密度的一個鮮明特征是具有很多范霍夫奇點(diǎn)。另外

4、,隨著無序強(qiáng)度的增加，從能譜的兩側(cè)邊界開始，ρty逐漸被抑制并在無序強(qiáng)度γ＞12t時消失，這意味著存在臨界無序強(qiáng)度，對于整個能譜是局域化的。同時僅用一個有限尺寸的系統(tǒng)來研究局域化性質(zhì)是不充分的，需要考慮歸一化的標(biāo)準(zhǔn)態(tài)密度。通過計(jì)算歸一化標(biāo)準(zhǔn)態(tài)密度，可以得到臨界無序強(qiáng)度。發(fā)現(xiàn)臨界無序強(qiáng)度隨著β一graphyne薄片尺寸的增加而減少，當(dāng)系統(tǒng)無限大時臨界無序強(qiáng)度趨近于0。隨后給出了歸一化的標(biāo)準(zhǔn)態(tài)密度在能量-無序平面的等高線，從等高線圖中可以得

5、到遷移率邊界以及里夫希茨邊界。最后，為了直觀的理解擴(kuò)展態(tài)和局域態(tài)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，給出了能帶中心(E=0)處的局域態(tài)密度。當(dāng)無序強(qiáng)度增加到γ=12t，團(tuán)簇被限制為很多獨(dú)立的島，這預(yù)示著這些狀態(tài)已經(jīng)完全局域化，相應(yīng)的系統(tǒng)由金屬轉(zhuǎn)變?yōu)榻^緣體，即發(fā)生了安德森轉(zhuǎn)變。
　　3.利用緊束縛模型證明了考慮Rashba自旋軌道耦合作用時正方-八邊形晶格也會支持拓?fù)浣^緣體的存在。利用整數(shù)場方法計(jì)算Z2拓?fù)洳蛔兞坎⒔o出了不同本征自旋軌道耦合強(qiáng)度和填充因子下

6、的相圖。發(fā)現(xiàn)即使不考慮本征自旋軌道耦合作用，在1/4和3/4填充因子下也會有拓?fù)浣^緣體的存在。而當(dāng)本征自旋軌道耦合強(qiáng)度合適時(λso=0.4t)，不管Rashba自旋軌道耦合作用以及在位勢能的強(qiáng)度多么小，在1/4和3/4填充因子下都會出現(xiàn)拓?fù)浣^緣體。同時當(dāng)填充因子為1/2時，只要0＜λR，λc＜1，也會出現(xiàn)拓?fù)浣^緣體。分析和討論了正方-八邊形品格的邊界態(tài)性質(zhì)。并且通過計(jì)算態(tài)密度分布以及自旋算符在邊界態(tài)下的平均值以了解邊界態(tài)的模式。

7、>　　4.通過將二維正方-八邊形晶格進(jìn)行三維推廣，可以得到超立方烷型品格。通過緊束縛方法以及拓?fù)淠軒Ю碚?，研究超立方烷型晶格在考慮自旋軌道耦合作用時拓?fù)湫再|(zhì)的變化。通過計(jì)算Z2拓?fù)鋽?shù)，發(fā)現(xiàn)超立方烷型晶格能支持強(qiáng)拓?fù)浣^緣體的存在，同時給出了不同填充因子下的相圖。發(fā)現(xiàn)Z2拓?fù)鋽?shù)為(1;000)以及(1;111)的強(qiáng)拓?fù)浣^緣體能在1/8填充因子下實(shí)現(xiàn)，而在1/8，1/4和1/2填充因子下可得到半金屬，在半金屬中導(dǎo)帶僅在布里淵區(qū)中的幾個孤立點(diǎn)和

8、價帶接觸。隨后分析和討論了這些拓?fù)浣^緣體以及表面態(tài)的特征。而作為拓?fù)湎嗟囊粋€重要特征，也求解了1(1)1表面的自旋極化，并且發(fā)現(xiàn)自旋極化只位于費(fèi)米面的平面內(nèi)，沒有分量垂直于平面。同時，對于上狄拉克錐和下狄拉克錐，表面態(tài)有相反的贗自旋螺旋性。特別的，下狄拉克錐會隨著化學(xué)勢接近價帶的頂端而發(fā)生自旋極化的畸變。
　　5.基于第一性原理計(jì)算，研究了X8(X=C，Si, Ge，Sn，Pb)晶格結(jié)構(gòu)以及在靜壓應(yīng)變下的拓?fù)湫再|(zhì)。在這些晶格中除了

9、Pb8大部分是動力學(xué)穩(wěn)定的，具有負(fù)的結(jié)合能且聲子譜中沒有虛頻。由于X8(X=C,Si, Ge，Sn)僅包含輕元素，其自旋軌道耦合強(qiáng)度非常的弱，導(dǎo)致自旋軌道耦合作用對X8(X=C，Si，Ge，Sn)能帶結(jié)構(gòu)的影響很小，不會產(chǎn)生拓?fù)浞瞧接箲B(tài)。但是除了自旋軌道作用之外，廣泛存在于材料表面和界面的應(yīng)變對半導(dǎo)體或半金屬電子性質(zhì)也有著非常重要的影響，因而討論了靜壓應(yīng)變的影響。發(fā)現(xiàn)對于C8和Si8靜壓應(yīng)變不能引起拓?fù)淦接箲B(tài)和非平庸態(tài)之間的量子相交。而