新型二維納米材料設(shè)計及量子自旋霍爾效應(yīng)機(jī)理的研究.pdf_第1頁
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文檔簡介

1、本文基于密度泛函的第一性原理計算,采用廣義梯度近似方法(GGA)中的Perdew-Burke-Ernzerhof(PBE)交換關(guān)聯(lián)函數(shù),探究了幾類新型二維納米材料的幾何結(jié)構(gòu)和電子性質(zhì),并通過應(yīng)力、外加電場、功能化等實現(xiàn)多自由度調(diào)控二維材料物性,揭示其間的耦合機(jī)制,探索其在低維納米技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用。
  本研究主要內(nèi)容包括:⑴探究了二維六角蜂窩狀Buckled砷烯(B-砷烯)和與磷烯結(jié)構(gòu)類似的Puckered砷烯(P-砷烯)兩種構(gòu)型。

2、對于B-砷烯,外部雙軸應(yīng)力驅(qū)使拓?fù)湎喟l(fā)生轉(zhuǎn)變,隨著應(yīng)力的增加,帶隙逐漸減小,同時能帶由間接帶隙轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯訋?,?dāng)應(yīng)力達(dá)到臨界點11.14%時,Γ點會發(fā)生s-p能帶反轉(zhuǎn),非平庸的拓?fù)鋺B(tài)出現(xiàn)。B-砷烯邊緣有一對受拓?fù)浔Wo(hù)的螺旋邊緣態(tài),并通過計算發(fā)現(xiàn)拓?fù)洳蛔兞縕2=1,進(jìn)一步證實其能夠產(chǎn)生量子自旋霍爾態(tài)。另外,我們通過研究發(fā)現(xiàn)B-砷烯與h-BN間的范德華相互作用不會影響B(tài)-砷烯的拓?fù)浞瞧接箲B(tài),因此h-BN是實驗上合成B-砷烯的理想襯底。⑵分別

3、采用氫和氧原子對B-砷烯進(jìn)行功能化修飾。通過研究我們提出了一個與氫化B-砷烯的pxy軌道有關(guān)的σ型狄拉克錐,并且這個狄拉克錐可受應(yīng)力調(diào)控。在氫原子和應(yīng)力共同作用下,pxy和pz軌道發(fā)生了分離,同時自旋軌道耦合使能帶在狄拉克錐處打開一個193meV的帶隙,這導(dǎo)致氫化B-砷烯形成了一對受拓?fù)浔Wo(hù)的螺旋邊緣態(tài)。此外,我們證實采用雙層辦-BN平面封裝氫化B-砷烯不會影響其拓?fù)浞瞧接固匦?,可以在實驗中保存氫化B-砷烯樣品。⑶探究了Ⅳ族Sn材料薄膜

4、,證實甲基功能化修飾啞鈴狀錫烯(DB-SnCH3)是一個穩(wěn)定存在的二維拓?fù)浣^緣體,其帶隙可以達(dá)到148meV,并且其帶隙大小可以通過雙軸應(yīng)力進(jìn)一步調(diào)控。其量子自旋霍爾效應(yīng)的起因是s與pxy的能帶反轉(zhuǎn),并可以通過拓?fù)洳蛔兞縕2和體態(tài)帶隙里的無帶隙螺旋邊緣態(tài)進(jìn)一步證實。另外,SiC、h-BN和Bi2Te3作為理想襯底可以支持DB-SnCH3保存量子自旋霍爾效應(yīng),說明其有可能在室溫下實現(xiàn)量子自旋霍爾效應(yīng)。⑷在理論上探索了單層PbPo的電子結(jié)構(gòu)

5、和拓?fù)湫再|(zhì),發(fā)現(xiàn)他是一個受晶格對稱保護(hù)的拓?fù)渚w絕緣體。其非平庸的拓?fù)湎鄟碓从趩螌咏Y(jié)構(gòu)中強(qiáng)晶體場下簡并的Po-pxy軌道和Pb-pz軌道,自旋軌道耦合引起了pxy與pz之間的能帶反轉(zhuǎn)。與相應(yīng)的窄帶隙塊體PbPo相比,二維薄膜打開了364.77meV的帶隙,使得他在室溫下實驗上的實現(xiàn)更可行。另外,其量子拓?fù)湫再|(zhì)可以在三明治式的NaI襯底量子阱中得以保存。這樣一個大帶隙的二維拓?fù)渚w絕緣體是將來超低損耗的自旋電子器件的備選材料。⑸探究了二維

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