高溫量子反?；魻栃?yīng)的理論探究.pdf

1、拓?fù)湎嗑哂歇?dú)特的物理性質(zhì)，它既保持著體絕緣性，同時(shí)又擁有無(wú)能隙的表面態(tài)或邊界模，在低耗散電子學(xué)或自旋電子學(xué)領(lǐng)域中有著極大的應(yīng)用潛力，因而引起了人們極大的研究熱情。拓樸相在量子阱、三族到五族原子尺度晶體層材料和過(guò)渡金屬化合物等二維體系中，主要有Z2拓?fù)浣^緣體、量子反?；魻栃?yīng)以及量子谷霍爾效應(yīng)等幾種。其中量子反?；魻栃?yīng)具體表現(xiàn)為:體系在無(wú)外加磁場(chǎng)時(shí)被施加縱向的電場(chǎng)后能夠產(chǎn)生量子化的橫向電導(dǎo)。其來(lái)源為自旋軌道耦合與體系內(nèi)稟磁場(chǎng)的共同作用。

2、石墨烯和拓?fù)浣^緣體因?yàn)槠洫?dú)特的線性狄拉克色散關(guān)系，都可作為研究量子反常霍爾效應(yīng)的理想平臺(tái)。不過(guò)，目前實(shí)驗(yàn)上還沒有在石墨烯上觀測(cè)到量子反常霍爾效應(yīng)。而在拓?fù)浣^緣體中，人們?cè)谀壳皩?shí)驗(yàn)上都只能于極低溫度下才能成功觀測(cè)到量子反?；魻栃?yīng)，無(wú)法在稍高溫度或室溫時(shí)將其實(shí)現(xiàn)，從而難以制作理想的電子或自旋電子器件。
　　在本文中，我們的研究采用了電子型-空穴型共摻雜方法，從理論上顯著地提升了基于石墨烯和拓?fù)浣^緣體兩種體系的量子反常霍爾效應(yīng)的實(shí)現(xiàn)溫

3、度，對(duì)拓?fù)潆娮訉W(xué)的發(fā)展和未來(lái)器件的制作有著積極的推動(dòng)作用。本論文內(nèi)容共包含五章，每章的主要內(nèi)容概括如下:
　　第一章主要介紹了拓樸相中的量子反?；魻栃?yīng)，及其在各種二維體系如蜂窩狀晶格體系、量子阱、其他有機(jī)或人造狄拉克材料、原子級(jí)層狀材料等中各自的形成機(jī)制和理論、實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展。
　　第二章采用了第一性原理計(jì)算的方法，提出了一種新的磁性雜質(zhì)摻雜方案，從理論上能夠?qū)崿F(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)在高溫下可能的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)。該手段即為在三維拓?fù)浣^

4、緣體中進(jìn)行電子-空穴共摻雜。本章以礬-碘共摻的Sb2Te3為實(shí)例進(jìn)行具體分析，證明了即使是在大約2％V和1％I的低摻雜濃度下，共摻后體系也能夠表現(xiàn)出標(biāo)志著量子反?；魻栃?yīng)的量子霍爾電導(dǎo)，且觀測(cè)溫度可高達(dá)50開爾文，高出了目前已有普通QAHE體系可觀測(cè)溫度三個(gè)數(shù)量級(jí)。這種方法在實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)上較為常規(guī)，因此實(shí)驗(yàn)上很容易進(jìn)行驗(yàn)證。2017年，何鈳等人根據(jù)類似的磁摻雜方案，從實(shí)驗(yàn)上成功在Cr-V共摻的(Bi，Sb)2Te3體系中實(shí)現(xiàn)了較高溫度的量

5、子反?；魻栃?yīng)。
　　第三章運(yùn)用第一性原理計(jì)算方法，系統(tǒng)性地研究了3d過(guò)渡金屬原子在石墨烯上與硼原子共摻雜的電子-空穴共摻效果。研究發(fā)現(xiàn)，共摻機(jī)制能夠使3d過(guò)渡金屬原子在石墨烯上成功形成原子級(jí)的穩(wěn)定吸附，解決了一直以來(lái)石墨烯上摻雜原子容易聚集成團(tuán)簇的難題。其中鎳硼共摻的石墨烯體系不僅擁有長(zhǎng)程鐵磁態(tài)，還打開了拓?fù)浞瞧接鼓軒恫?shí)現(xiàn)了量子反常霍爾效應(yīng)。對(duì)其各種共摻濃度的體系進(jìn)行分析，模擬得到的鐵磁居里溫度都能高達(dá)10開爾文，從而預(yù)言了

6、較高溫度下實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)的可能性。
　　第四章也利用了第一性原理計(jì)算，系統(tǒng)性地研究5d過(guò)渡金屬原子-硼原子共摻石墨烯體系的拓?fù)湫再|(zhì)。結(jié)果顯示，首先，電子型和空穴型摻雜物之間的靜電吸引作用有效地增強(qiáng)了5d過(guò)渡金屬吸附原子在石墨烯上的吸附能力，并抑制了它們不利的聚集成團(tuán)現(xiàn)象。其次，計(jì)算得到的Re-B和Pt-B共摻石墨烯體系中的Rashba劈裂能可以分別達(dá)到158和85meV，高出了已經(jīng)有所報(bào)道的內(nèi)稟自旋軌道耦合作用強(qiáng)度多個(gè)