基于Ⅳ族元素的新型二維拓撲絕緣體的理論設計.pdf

1、二維拓撲絕緣體（也稱為量子自旋霍爾效應絕緣體）由于量子自旋霍爾效應(QSHE)絕緣態(tài)受時間反演對稱性保護，避免了邊緣輸運中低能量的散射，這種奇特性質和在自旋電子學及量子計算中的應用前景吸引理論凝聚態(tài)物理的研究興趣。為滿足實現(xiàn)這種效應的應用，理論研究預言了很多材料。然而，人們目前只有HgTe/CdTe和InAs/GaSb量子阱可以在極低溫下達到。尋找具有大帶隙的拓撲絕緣體是增加實現(xiàn)溫度的關鍵。
　　拓撲絕緣體拓撲帶隙的來源是自旋軌道

2、耦合效應，因此體系自旋軌道耦合效應越強，越可能是具有大帶隙的拓撲絕緣體。我們知道，自旋軌道耦合效應的來源是相對論效應，其耦合強度和電子的機械動量與電場強度成正比。在重元素原子組成的材料中，原子核電場強度很高，電子動量大。因此重元素材料中更容易找到具有大帶隙的拓撲絕緣體。因此本文將目光放在了Ge/Sn上。本文借助第一性原理計算，證明了兩種穩(wěn)定的大帶隙拓撲絕緣體，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。
　　本文的結構如下:
　　第一章是該論文的研究背景以及選題意義，包含三部分內容——首先介紹了自旋電子學的研究背景和自旋軌道耦合效應，得到重原子具有強自旋軌道耦合效應的結論;隨后介紹了量子自旋霍爾效應絕緣體研究現(xiàn)狀，包括量子自旋霍爾效應奇特的性質，實驗上合成的量子自旋霍爾效應絕緣體（HgTe/CdTe量子阱）存在的應用障礙，以及目前理論提出的幾類大帶隙拓撲絕緣體;最后介紹了Ⅳ族元素材料啞鈴形結構的實驗、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算方法，即第一性計算理論和計算工具。包括第一性計算的基本原理、密度泛函理論和一些大幅簡化計算而對計算正確性影響較小的近似以及量子計算程序包VASP的介紹。
　　第三章中，借助第一性原理計算，本文證明了穩(wěn)定的具有啞鈴形結構的氫化錫烯有312 meV（Γ點）和160 meV（體帶隙）的拓撲非平凡帶隙，拓撲性質來自s-px,能帶翻轉，可由拓撲數(shù)Z2=1證明。納米帶表現(xiàn)出螺旋的

5、無帶隙的具有高費米速度的邊界態(tài)，費米速度與石墨烯的比擬。非平凡的拓撲態(tài)對襯底是魯棒的。實現(xiàn)這種材料是實現(xiàn)室溫下的量子自旋霍爾效應的可能途徑，且有助于構建高速自旋電子器件。
　　第四章從啞鈴形錫烯結構的能帶規(guī)律出發(fā)，用對啞鈴形錫烯進行摻雜的方式得到了一種直接帶隙半導體——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的大帶隙拓撲絕緣體。拓撲非平凡性被拓撲數(shù)Z2=1證明，與氫化引入的錫原子的s-p