拓?fù)浣^緣體中的自旋劈裂.pdf

1、Bi2Se3作為第二代三維強(qiáng)拓?fù)浣^緣體，是目前的研究焦點(diǎn)。它具有非常強(qiáng)的自旋軌道耦合作用，在塊體能帶中形成反轉(zhuǎn)帶隙，而在表面或界面上則形成受時(shí)間反演對(duì)稱性保護(hù)的金屬態(tài)。在拓?fù)浔砻鎽B(tài)中的電子具有Dirac準(zhǔn)粒子行為，其自旋和動(dòng)量方向是鎖定的。這些前所未有的性質(zhì)，不僅具有重大和深刻的科學(xué)意義，而且在自旋電子學(xué)和量子計(jì)算等方面具有巨大和獨(dú)特的應(yīng)用價(jià)值。最近的一系列實(shí)驗(yàn)證實(shí)在Bi2Se3表面上吸附Rb或CO等原子或分子時(shí)，會(huì)產(chǎn)生顯著的Rashb

2、a效應(yīng)；所觀察到的Rashba自旋劈裂比傳統(tǒng)半導(dǎo)體中的大一到兩個(gè)數(shù)量級(jí)，引起高度關(guān)注。此為自旋電子器件在室溫下的運(yùn)行和小型化帶來(lái)很大的希望。因?yàn)榛谄胀ò雽?dǎo)體的自旋場(chǎng)效應(yīng)管中，Rashba效應(yīng)一般很微弱，給器件的室溫運(yùn)行和小型化帶來(lái)很大困難。
　　在本學(xué)位論文中，我們提出了兩個(gè)方案來(lái)調(diào)制和加強(qiáng)Rashba效應(yīng)。其一是通過(guò)在Bi2Se3薄膜表面上吸附鉛層或者鉛原子；其二是通過(guò)外加電場(chǎng)來(lái)調(diào)制Bi2Se3薄膜中的Rashba效應(yīng)。論文的

3、內(nèi)容如下：
　　基于密度泛函理論的第一性原理計(jì)算(考慮自旋軌道耦合)，我們發(fā)現(xiàn)吸附在Bi2Se3薄膜上的鉛層引起了量子阱態(tài)的Rashba自旋劈裂。因鉛層的厚度變化產(chǎn)生的量子尺寸效應(yīng)使得鉛層與Bi2Se3薄膜之間的距離，界面處的電荷密度和鉛層內(nèi)部的鍵長(zhǎng)都發(fā)生振蕩。這些變化可以調(diào)制Bi2Se3薄膜量子阱態(tài)中的Rashba自旋劈裂的大小。實(shí)驗(yàn)上預(yù)言在拓?fù)浣^緣體和超導(dǎo)體的異質(zhì)結(jié)構(gòu)中可以發(fā)現(xiàn)Majorana fermions，且實(shí)驗(yàn)上在鉛層

4、中觀測(cè)到了超導(dǎo)性，故我們的結(jié)果對(duì)設(shè)計(jì)拓?fù)浣^緣體—超導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)是有益的指導(dǎo)。另外，當(dāng)在Bi2Se3薄膜上吸附鉛原子，可以在點(diǎn)附近量子阱態(tài)中引起Rashba分裂；同時(shí)在高對(duì)稱點(diǎn)處也會(huì)出現(xiàn)表面態(tài)的Rashba劈裂，且Rashba劈裂的系數(shù)比較大。計(jì)算表明吸附鉛原子的覆蓋率會(huì)對(duì)以上的Rashba劈裂產(chǎn)生比較大的影響。
　　基于考慮范德瓦耳斯力和自旋軌道耦合的第一性原理計(jì)算，我們研究了拓?fù)浣^緣體Bi2Se3薄膜在外加電場(chǎng)下產(chǎn)生的自旋劈裂。由