拓?fù)浣^緣體Sb2Te3、Bi2Se3薄膜電子結(jié)構(gòu)及磁性的研究.pdf

1、拓?fù)浣^緣體由于具有很多奇異的量子特性，近年來(lái)已成為物理學(xué)的研究熱點(diǎn)及前沿之一。對(duì)拓?fù)浣^緣體的深入研究對(duì)于實(shí)現(xiàn)電子輸運(yùn)的反弱局域化效應(yīng)、反常量子霍爾效應(yīng)、拓?fù)浯烹娦?yīng)、磁單極子、Majorana費(fèi)米子與拓?fù)涑瑢?dǎo)體等奇特性質(zhì)有很大的幫助。因此被認(rèn)為在自旋電子學(xué)、低能耗自旋電子器件、容錯(cuò)量子通信、量子計(jì)算等方面有著重要的意義和廣泛的、潛在的應(yīng)用前景。由于拓?fù)浣^緣體(TI)這些奇異的物理性質(zhì)和潛在的技術(shù)應(yīng)用，拓?fù)浣^緣體一直處于一個(gè)非?；钴S的研究

2、領(lǐng)域的核心。
　　在眾多拓?fù)浣^緣體材料中，第二代三維拓?fù)浣^緣體Bi2Te3，Bi2Se3和Sb2Te3因?yàn)榫哂休^大體帶隙和最簡(jiǎn)單表面Dirac能譜，在凝聚態(tài)物理和材料物理等領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注。然而實(shí)際中，可制備的Bi2Te3，Bi2Se3和Sb2Te3材料中卻存在著大量的本征缺陷，表面態(tài)被埋在塊材中，這使得拓?fù)浣^緣體材料奇異物理現(xiàn)象的實(shí)現(xiàn)受到影響，因此，如何抑制拓?fù)浣^緣體材料Bi2Te3，Bi2Se3和Sb2Te3的本征缺陷并實(shí)現(xiàn)

3、對(duì)電子結(jié)構(gòu)的有效調(diào)控成了該研究領(lǐng)域亟待解決的問(wèn)題。本文采用基于密度泛函理論的第一性原理方法系統(tǒng)探究拓?fù)浣^緣體薄膜材料的電子結(jié)構(gòu)和磁性，得到了一些有意義的理論結(jié)果。期望這些理論結(jié)果能解釋一些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和物理本質(zhì)，為拓?fù)浣^緣體材料電子器件的制備、設(shè)計(jì)和調(diào)控等相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究提供理論指導(dǎo)。
　　1.硫原子覆蓋對(duì)拓?fù)浣^緣體Sb2Te3薄膜拓?fù)浔砻鎽B(tài)的鈍化作用。
　　研究了S原子在拓?fù)浣^緣體Sb2Te3(111)6QL薄膜表面吸附與替代對(duì)拓

4、撲表面態(tài)的影響。研究發(fā)現(xiàn)對(duì)于對(duì)稱(chēng)吸附，S起到了鈍化作用，單一狄拉克錐型的表面態(tài)穩(wěn)定存在;對(duì)于單側(cè)吸附，結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性被打破，來(lái)自上、下表面的DiracCone表面態(tài)的簡(jiǎn)并被破壞，來(lái)自上、下表面的DiracCone沿著高對(duì)稱(chēng)Γ點(diǎn)方向發(fā)生移動(dòng)。對(duì)稱(chēng)替代表面最外層Te原子時(shí)，狄拉克錐型的表面態(tài)仍穩(wěn)定存在，拓?fù)湫再|(zhì)保存完好，S的對(duì)稱(chēng)替代很好的保持了拓?fù)浔砻鎽B(tài)。和S的單側(cè)吸附相比，S的單側(cè)替代重構(gòu)了結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性，使得S的單側(cè)替代，對(duì)Sb2Te3的拓

5、撲表面態(tài)的影響較小，拓?fù)湫再|(zhì)保留。我們的理論結(jié)果驗(yàn)證了拓?fù)浣^緣體的拓?fù)浔砻鎽B(tài)對(duì)非磁雜質(zhì)的免疫能力，但同時(shí)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性也需考慮。
　　2.磁性原子摻雜對(duì)拓?fù)浣^緣體Bi2Se3薄膜電子結(jié)構(gòu)的調(diào)制和誘導(dǎo)磁性的研究。
　　研究了過(guò)渡金屬原子（Cr和Mn）在拓?fù)浣^緣體Bi2Se3薄膜上表面吸附和摻雜的電子結(jié)構(gòu)和磁性。研究發(fā)現(xiàn)磁性原子能誘導(dǎo)自旋極化，產(chǎn)生磁矩（Cr誘導(dǎo)的凈磁矩為2.157μB，Mn誘導(dǎo)的凈磁矩是1.730μB）。通過(guò)DO

6、S分析，發(fā)現(xiàn)Cr的3d態(tài)和Se的4p態(tài)產(chǎn)生了p-d雜化，Mn的3d態(tài)與Bi的6p態(tài)產(chǎn)生了p-d雜化。磁性原子的摻雜打破了局域時(shí)間反演對(duì)稱(chēng)性，使得上表面的能帶發(fā)生劈裂，來(lái)自上表面的DiracCone消失，而未經(jīng)摻雜的下表面的拓?fù)浔砻鎽B(tài)仍然存在，費(fèi)米能級(jí)上移至體帶隙中，狄拉克錐相對(duì)費(fèi)米能級(jí)下移。為實(shí)現(xiàn)絕緣有質(zhì)量Dirac費(fèi)米子提供了條件，同時(shí)磁性粒子的單側(cè)摻雜對(duì)避免有限尺寸的拓?fù)浣^緣體薄膜上下表面的相互作用、保留無(wú)帶隙的孤立表面態(tài)的研究有一

7、定的指導(dǎo)意義。
　　3.T1原子的摻雜對(duì)拓?fù)浣^緣體Bi2Se3薄膜電子結(jié)構(gòu)的調(diào)制作用。
　　研究了T1原子的表面吸附和替位摻雜對(duì)拓?fù)浣^緣體Bi2Se3電子結(jié)構(gòu)的調(diào)制，T1的單側(cè)吸附能誘導(dǎo)Bi2Se3薄膜能帶結(jié)構(gòu)的Rashba劈裂，來(lái)自上下兩個(gè)表面的表面態(tài)的簡(jiǎn)并消失，上下表面形成的DiracCone型的表面態(tài)仍然存在，但是上表面形成的DiracCone下移到了價(jià)帶中，下表面形成的DiracCone仍然在帶隙中，費(fèi)米能級(jí)上移進(jìn)入