基于Ⅳ族二維結構材料的設計及量子性質調控.pdf

1、自石墨烯被發(fā)現(xiàn)以來，二維Ⅳ族材料的研究取得了飛躍式的進步，特別是超高的載流子傳輸速率使其在自旋電子材料中具有廣泛應用，同時石墨烯的發(fā)現(xiàn)也推動了拓撲絕緣體的發(fā)展。本文主要通過密度泛函理論的第一性原理的方法，研究了Ⅳ主族二維材料的電子特性及其量子自旋霍爾效應。
　　本研究主要內容包括：⑴研究了硅烯在單層Sc2CF2襯底上生長的納米異質結的幾何及電子特性。研究發(fā)現(xiàn)，硅烯與Sc2CF2薄膜是通過范德瓦爾斯相互作用形成的異質結，在該異質結中

2、，硅烯打開了一個36-48meV的較大的帶隙，并且還保留了其優(yōu)良的線性狄拉克錐。此外，我們還通過計算應力以及層間距等因素對該異質結電子性質的影響發(fā)現(xiàn)，在適當?shù)恼{節(jié)范圍內，硅烯的帶隙仍然保持著良好的線性狄拉克錐的特點。由此我們發(fā)現(xiàn)該異質結可以作為一個能夠在室溫下實現(xiàn)的，具有較高載流子遷移率的場效應晶體管的良好材料。⑵研究了Ⅳ族元素的錫烯薄膜，基于第一性原理我們計算了甲基吸附的錫烯(SnCH3),通過計算我們發(fā)現(xiàn)SnCH3的基態(tài)結構是一個拓

3、撲平庸態(tài)，并不存在一對零能耗的導電通道，但是通過對SnCH3施加雙軸應力之后，我們通過計算邊緣態(tài)以及拓撲不變量Z2之后，發(fā)現(xiàn)該結構出現(xiàn)了一個拓撲平庸態(tài)到拓撲非平庸態(tài)的轉變。此外，當我們進一步研究了SnCH3薄膜在BN襯底上生長的特性，通過計算發(fā)現(xiàn)其仍然保持了神奇的量子自旋霍爾絕緣體的性質。這將為拓撲絕緣體在實驗上更好的制備提供一個良好的備選材料。⑶利用密度泛函理論提出了鉛烯這個六角蜂窩狀的類石墨烯結構，并且通過用氫原子以及鹵素原子對鉛烯

4、進行雙面修飾，我們發(fā)現(xiàn)了一個帶隙可以達到1.34eV的寬帶隙拓撲絕緣體PbX(X=H，F(xiàn)，C1，Br，I)，并且通過對面內雙軸應力的調控我們發(fā)現(xiàn)，該材料對于在一定的應力范圍內仍然保持了良好的量子自旋效應。同時，我們通過計算得到PbX的拓撲不變量Z2=1，之后我們又進一步計算了PbX的邊緣態(tài)，發(fā)現(xiàn)該結構具有一對自旋相反的零帶隙的邊緣態(tài)，分別連接了體態(tài)的價帶頂跟導帶底，形成了一對無能量損耗的導電通道，進一步證明了其拓撲性質。之后我們又計算了

5、PbX在BN襯底上生長的異質結結構，我們發(fā)現(xiàn)該結構仍然保持了拓撲性質。這項研究對拓撲絕緣體的發(fā)展起到了一定的推動作用。⑷對鉛烯進行了有機官能團的吸附研究。通過研究我們發(fā)現(xiàn)，氰基官能團對鉛烯進行吸附鈍化處理后，仍然保持著良好的拓撲性質，我們通過計算拓撲不變量Z2=1以及存在零帶隙的螺旋邊緣態(tài)等結果驗證了其拓撲性質的存在。在實驗制備上，我們提供了一個可行的方法，即通過用K4[Fe(CN)6]這種無毒的對環(huán)境無污染的氰化物試劑作為氰基的來源來