拓撲絕緣體.本科畢業(yè)論文

.-1-2016屆畢業(yè)論文2016屆畢業(yè)論文本本科畢業(yè)論文本科畢業(yè)設(shè)計〔題目：題目：新型拓撲絕緣材料的研究..摘要拓撲絕緣體是一種新的量子物態(tài),為近幾年來凝聚態(tài)物理學(xué)的重要科學(xué)前沿之一,已經(jīng)引起的巨大的研究熱潮。拓撲絕緣體具有新奇的性質(zhì),雖然與普通絕緣體一樣具有能隙,但拓撲性質(zhì)不同,在自旋一軌道耦合作用下,在其表面或與普通絕緣體的界面上會出現(xiàn)無能隙、自旋劈裂且具有線性色散關(guān)系的表面/界面態(tài)。這些態(tài)受時間反演對稱性保護,不會受到雜質(zhì)和無序的影響,由無質(zhì)量的狄拉克<Dirac>方程所描述。從廣義上來說,拓撲絕緣體可以分為兩大類：一類是破壞時間反演的量子霍爾體系,另一類是新近發(fā)現(xiàn)的時間反演不變的拓撲絕緣體,這些材料的奇特物理性質(zhì)存在著很好的應(yīng)用前景。理論上預(yù)言,拓撲絕緣體和磁性材料或超導(dǎo)材料的界面,還可能發(fā)現(xiàn)新的物質(zhì)相和預(yù)言的Majorana費米子,它們在未來的自旋電子學(xué)和量子計算中將會有重要應(yīng)用。拓撲絕緣體還與近年的研究熱點如量子霍爾效應(yīng)、量子自旋霍爾效應(yīng)等領(lǐng)域緊密相連,其基本特征都是利用物質(zhì)中電子能帶的拓撲性質(zhì)來實現(xiàn)各種新奇的物理性質(zhì)。關(guān)鍵詞：拓撲絕緣體,量子霍爾效應(yīng),量子自旋霍爾效應(yīng),Majorana費米子..AbstractInrecentyears,oneoftheimportantfrontiersincondensedmatterphysics,topologicalinsulatorsareanewquantumstate,whichhasattractmanyresearchersattention.Topologicalinsulatorsshowsomenovelproperties,althoughnormalinsulatorhasthesameenergygap,buttopologicalpropertiesaredifferent.Undertheactionofspin-orbitcouplinginteraction,onthesurfaceororwithnormalinsulatorinterfacewillappeargapless,spin-splittingandwiththelineardispersionrelationofsurfaceorinterfacestates.Thesestatesareconservedbythetimereversalsymmetryandarenotaffectedbytheeffectoftheimpuritiesanddisorder,whichisdescribedbythemasslessDiracequation.Broadlydefined,topologicalinsulatorscanbeseparatedintotwocategories:aclassisdestroytimereversalofthequantumHallsystem,anotherkindisthenewlydiscoveredtimereversalinvarianttopologicalinsulators,peculiarphysicalpropertiesofthesematerialsexistverygoodapplicationprospect.Theoreticallypredicted,theinterfaceoftopologicalinsulatorsandmagneticorsuperconductingmaterial,mayalsofindnewmaterialphaseandtheprophecyofMajoranafermion,theywillhaveimportantapplicationsinthefuturespintronicsandquantumcomputing.Topologicalinsulatorsalsoarecloselylinkedwiththeresearchhotspotinrecentyears,suchasthequantumHalleffect,quantumspinHalleffectandotherfields.Itsbasiccharacteristicsaretoachieveavarietyofnovelphysicalpropertiesbyusingthetopologicalpropertyofthematerialoftheelectronicband.Keywords:Topologicalinsulator;quantumhalleffect;quantumspin-Halleffect;Majoranafermion..目錄TOC\o"1-2"\h\u26049引言 122298第一章拓撲絕緣體簡介2321131.1絕緣體、導(dǎo)體和拓撲絕緣2210501.2二維拓撲絕緣體360551.3三維拓撲絕緣體327253第二章拓撲絕緣體的研究進展與現(xiàn)狀 5321222.1拓撲絕緣體研究進展510362.2拓撲絕緣體的研究現(xiàn)狀619364第三章拓撲絕緣體材料的制備方法與特性7216033.1拓撲絕緣體的結(jié)構(gòu)718563.2拓撲絕緣體的制備的制備810983.3拓撲晶態(tài)絕緣體制備954993.4拓撲絕緣體的特性 911628結(jié)論 105563參考文獻1121594謝辭 13..引言拓撲絕緣體是一種新的量子物態(tài),為近幾年來凝聚態(tài)物理學(xué)的重要科學(xué)前沿之一,已經(jīng)引起的巨大的研究熱潮。拓撲絕緣體具有新奇的性質(zhì),雖然與普通絕緣體一樣具有能隙,但拓撲性質(zhì)不同,在拓撲絕緣材料中,存在著很強的自旋軌道耦合,其電子結(jié)構(gòu)會呈現(xiàn)非平庸的拓撲特性,這使得拓撲絕緣體的表面存在受拓撲保護的金屬態(tài),具有非常奇妙的物理性質(zhì)。在自旋一軌道耦合作用下,在其表面或與普通絕緣體的界面上會出現(xiàn)無能隙、自旋劈裂且具有線性色散關(guān)系的表面/界面態(tài)。這些態(tài)受時間反演對稱性保護,不會受到雜質(zhì)和無序的影響,由無質(zhì)量的狄拉克<Dirac>方程所描述。從廣義上來說,拓撲絕緣體可以分為兩大類：一類是破壞時間反演的量子霍爾體系,另一類是新近發(fā)現(xiàn)的時間反演不變的拓撲絕緣體,這些材料的奇特物理性質(zhì)存在著很好的應(yīng)用前景。拓撲絕緣體的內(nèi)部是具有帶隙的,就像一個普通的絕緣體,但在其邊緣或表面態(tài)的導(dǎo)體特征是由于自旋軌道耦合相互作用和時間反演對稱性導(dǎo)致的。這種獨特的電子特征將使拓撲絕緣體在未來可能成為電子技術(shù)發(fā)展的重要推動力量,如拓撲絕緣體潛在可以制成室溫〔甚至高溫下低能耗的自旋電子器件等[1]。因此,尋找新型具有大帶隙〔體內(nèi)電子態(tài)、高化學(xué)惰性、高熱穩(wěn)定性的強拓撲絕緣體材料,將成為材料領(lǐng)域的重大焦點問題之一。由于自旋軌道相互作用可導(dǎo)致拓撲絕緣電子相,因此預(yù)測和在現(xiàn)實材料中探索拓撲絕緣電子相的存在成為了凝聚態(tài)物理的一個全新的研究領(lǐng)域。本文以拓撲絕緣體這一種全新的物質(zhì)形態(tài)作為研究中心,介紹拓撲絕緣體的定義與分類,拓撲絕緣體材料與絕緣體材料的區(qū)分和物理方面表現(xiàn)出來的特性,與其制備方法和對量子計算和基礎(chǔ)物理的多方面領(lǐng)域的重要作用。本文以拓撲絕緣體這一種全新的物質(zhì)形態(tài)作為研究中心,介紹拓撲絕緣體的定義與分類,拓撲絕緣體材料與絕緣體材料的區(qū)分和物理方面表現(xiàn)出來的特性,與其制備方法和對量子計算和基礎(chǔ)物理的多方面領(lǐng)域的重要作用。第一章拓撲絕緣體簡介1.1絕緣體、導(dǎo)體和拓撲絕緣按照導(dǎo)電性質(zhì)的不同,材料可分為"導(dǎo)體"和"絕緣體"兩大類。其中絕緣體材料在其費米能級處存在著有限大小的能隙,沒有自由載流子,因此絕緣體是不善于導(dǎo)電的物質(zhì)；導(dǎo)體一般為金屬材料,金屬材料在費米能級處存在著有限的電子態(tài)密度,進而擁有自由載流子,導(dǎo)體則是電阻率很小易于導(dǎo)電的物質(zhì)。而更進一步,根據(jù)電子態(tài)的拓撲性質(zhì)不同,"絕緣體"和"導(dǎo)體"還可以進行更加細致的劃分,拓撲絕緣體就是區(qū)別于其它絕緣體的一種絕緣體。拓撲是研究幾何物體在連續(xù)的形變中保持不變的量,它的特點是對于細節(jié)和連續(xù)變化的不敏感。拓撲絕緣體和人們認識的絕緣體一樣是絕緣的,但是它的邊界或表面總是存在導(dǎo)電的邊緣態(tài),這是它有別于普通絕緣體的最獨特的性質(zhì)。圖1-1：金屬、絕緣體和拓撲絕緣體的關(guān)系從理論上分析,這類材料的體內(nèi)能帶結(jié)構(gòu)是典型的絕緣體類型,在費米能處存在著能隙,然而在這類材料的表面總是存在著穿越能隙的狄拉克型的電子態(tài),因而導(dǎo)致了其表面總是金屬性的,這樣的導(dǎo)電邊緣態(tài)是穩(wěn)度存在的,且不同自旋的導(dǎo)電電子的運動方向是相反的,所以信息的傳遞可以通過電子的自旋,而不像傳統(tǒng)的材料通過電荷,不涉及耗散過程。在絕緣材料中電子保持在每個原子和相鄰原子之間形成化學(xué)鍵附近的微觀尺度內(nèi)做局部運動。這種運動雖然沒有消耗,但是它卻無法傳導(dǎo)宏觀的電流。而對于導(dǎo)體中的電子是可以運動較長的距離和傳導(dǎo)宏觀電流的,但是在電子長距離的運動過程中容易被雜質(zhì)和晶格震動散射到不同的量子態(tài),這就導(dǎo)致了能量的損耗。拓撲絕緣體的塊體內(nèi)部屬于能帶絕緣體,但由于電子結(jié)構(gòu)的特殊"拓撲"性質(zhì),其表面電子卻處于運輸能力極強的超金屬態(tài),兩種表面相反的電子系統(tǒng)一于一體,并且來源于相同的物理本質(zhì),這一現(xiàn)象實在令人驚嘆物理規(guī)律的神奇精妙,從基礎(chǔ)研究的角度來看,拓撲絕緣體具有深刻的物理和數(shù)學(xué)根源,是量子力學(xué)中的"相位"的一種非平庸體現(xiàn),完全沒有經(jīng)典力學(xué)的對應(yīng),從實際應(yīng)用的角度來看,拓撲絕緣體內(nèi)稟的、高度穩(wěn)定和低耗散的表面運輸機制成為實現(xiàn)高速、高效和低能耗的量子操控〔存儲、傳遞、計算的重要選材料,為新一代的革命性的信息材料提供了豐富的聯(lián)想空間[1]。1.2二維拓撲絕緣體20XX以來凝聚態(tài)物理學(xué)界的重大進展之一就是在具有強自旋軌道耦合的材料中預(yù)言和發(fā)現(xiàn)了這類拓撲絕緣體。21世紀初,張首晟帶領(lǐng)團隊開始研究二維拓撲絕緣體,也就是量子自旋霍爾效應(yīng)?；魻栃?yīng)最初是由科學(xué)家埃德溫·霍爾在19世紀末發(fā)現(xiàn),即通電導(dǎo)體在磁場作用下使電流運動方向改變90o。1980年,科學(xué)家又發(fā)現(xiàn)在極低溫和強磁場條件下,霍爾效應(yīng)會呈現(xiàn)電子按順時針沿導(dǎo)體邊緣運動,即量子化的表現(xiàn)形式,這就是量子霍爾效應(yīng)。與無序運動導(dǎo)致熱量消耗相比,量子霍爾效應(yīng)中的電流幾乎沒有能量損失,由此引發(fā)了科學(xué)界研制新的電腦元器件的設(shè)想。最早的拓撲絕緣體理論模型是建立在當時發(fā)現(xiàn)不久的石墨烯上面的,然而由于碳原子的自旋軌道耦合效應(yīng)很弱,這個理論模型其實不能在實驗上實現(xiàn)。于是人們就開始在重元素組成的材料中尋找量子自旋霍爾效應(yīng)。研究人員發(fā)現(xiàn),典型的二維的拓撲絕緣體是HgTe/CdTe量子阱,HgTe/CdTe量子阱具有很強的自旋軌道耦合,而且其導(dǎo)帶和價帶的相對位置可以通過其中HgTe層的厚度來調(diào)節(jié)[2]。張首晟等人發(fā)現(xiàn),HgTe/CdTe量子阱存在一個臨界厚度,當量子阱的厚度小于時,體系是正常的絕緣體,吧費米面調(diào)控到能隙中,電導(dǎo)為零,但當量子阱的厚度大于時,體系呈現(xiàn)特殊的狀態(tài),這時把費米能級調(diào)控到帶隙中,電導(dǎo)為一個定值[3]。1.3三維拓撲絕緣體20XX,時間反演不變的拓撲絕緣體在理論上由二維系統(tǒng)推廣到了三維系統(tǒng)[4-6]。所有時間反演不變的二維拓撲絕緣體系統(tǒng)可以用拓撲數(shù)來分類,這個概念還可以推廣到時間反演不變的三維系統(tǒng)。三維拓撲絕緣體有八個時間反演不變的動量：〔1-1其中為倒易晶格的基矢,,。此時共有四個指標,,,,定義為〔1-2除外,均依賴于基矢的選擇,把不變量看作倒格矢的晶向指數(shù),即〔1-3當時,系統(tǒng)的拓撲態(tài)可以由來區(qū)分；當是奇數(shù)時,體系為弱拓撲絕緣體；當時,體系為強拓撲絕緣體。三維拓撲絕緣體的性質(zhì)是類似的,其體內(nèi)是能帶絕緣體,表面上則有表面態(tài)。三維體系的表面是二維的,可以在面內(nèi)任何方向運動。由于多了一個維度,這種二維表面態(tài)比一維邊緣態(tài)更值得去研究。三維拓撲絕緣體的表面態(tài)可以用純粹的自旋軌道耦合模型來描寫,其低能有效理論可以寫成[7]〔1-4其中是體系的費米速度,是泡利矩陣?？梢钥吹诫娮拥淖孕推滠壍肋\動完全耦合在一起。二維表面態(tài)的行為在低能范圍內(nèi)遵從無質(zhì)量狄拉克方程,其能量-動量的關(guān)系并不是平方函數(shù),而是線性的。這種能帶結(jié)構(gòu)在變量,,構(gòu)成的三維空間中的形狀是兩個針鋒相對在一起的圓錐,它們的共同頂點稱為狄拉克點。這兩個接在一起的圓錐被稱為一個"狄拉克錐",屬于一個狄拉克方程[7]。三維拓撲絕緣體非同尋常的性質(zhì)還有很多。比如,在拓撲絕緣體的介質(zhì)中,電磁學(xué)的麥克斯韋方程需要加上一個拓撲項,從而導(dǎo)致了拓撲磁電效應(yīng)。一個具體的例子就是磁單極子現(xiàn)象；三維拓撲絕緣體表面態(tài)之外不遠處的電荷會感應(yīng)出一個電磁場,這個電磁場等效于一個鏡像電荷和一個磁單極子作用的疊加。拓撲絕緣體的研究進展與現(xiàn)狀2.1拓撲絕緣體研究進展最近,清華大學(xué)物理系薛其坤、陳曦與賈金鋒等組成的研究團隊,在拓撲絕緣體的實驗方面取得了一系列突破性的進展。他們與中國科學(xué)物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實驗室馬旭村研究領(lǐng)導(dǎo)的研究組合作,利用分子束外沿技術(shù),在硅、碳化硅和藍寶石等單晶襯底上制備除了原子及平整的高質(zhì)量三位拓撲絕緣體〔、和薄膜。原位角分辨光電子能譜測量顯示,這些薄膜具有本征的絕緣體特征三維拓撲絕緣體的量子薄膜的實現(xiàn)為理論預(yù)言的量子反?；魻栃?yīng)、巨大熱電效應(yīng)、激子凝聚等新奇量子現(xiàn)象的研究提供的基礎(chǔ),是拓撲絕緣材料制備方面的一個重要進展。利用這些高質(zhì)量的薄膜材料,他們發(fā)現(xiàn)了拓撲絕緣材料特有的背散射缺失現(xiàn)象,從實驗上證明了拓撲量子態(tài)受時間反演對稱性的保護,觀察了這種特殊的"二維電子氣"在外磁場下的量子化行為〔物理學(xué)上稱為"朗道量子化",證明了它具有無質(zhì)量狄拉克費米子的特征。同時,研究人員也在拓撲絕緣體的研究中發(fā)現(xiàn)了磁性摻雜拓撲絕緣體中由能帶拓撲量子相變而導(dǎo)致的磁性量子的相變。在此工作中對材料的組分的精確控制而改變子線軌道耦合強度,從而可以主動調(diào)節(jié)拓撲絕緣體材料的能帶拓撲結(jié)構(gòu),并最終誘導(dǎo)了一個磁性量子相變。這一發(fā)現(xiàn)大大加深了人們對拓撲絕緣體的拓撲性質(zhì)和磁學(xué)性質(zhì)的理解和調(diào)控能力,為將來尋找由時間反演對稱性破缺而導(dǎo)致的奇異量子現(xiàn)象,以及可能的器件應(yīng)用提供了一個理想的平臺。近日,北京大學(xué)物理學(xué)院量子材料科學(xué)中心王健研究員與中心謝心澄教授、香港大學(xué)謝茂海教授、XX大學(xué)王勇教授等人合作,首次對拓撲絕緣體/普通絕緣體〔/超晶格的量子輸運特性展開系統(tǒng)研究。在低溫強磁場下對不同拓撲絕緣體層厚的/超晶格的電輸運測量發(fā)現(xiàn)：改變其中拓撲絕緣體層的厚度會導(dǎo)致體系的量子輸運維度從三維轉(zhuǎn)變?yōu)槎S。該結(jié)果證實了人工調(diào)控拓撲材料物性的可行性,是拓撲絕緣體超晶格量子輸運特性的首次報道。這一工作為新量子態(tài)的探索,也為研發(fā)人工調(diào)制的拓撲材料及其在磁電、熱電和自旋電子學(xué)等方面的潛在應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。2.2拓撲絕緣體的研究現(xiàn)狀從理論上說,拓撲絕緣體是由電荷的U〔1對稱性以及時間反演對稱性共同保護的拓撲態(tài)。只要U〔1對稱性和時間反演對稱性同時存在,拓撲絕緣體的邊緣態(tài)就一定是非平庸的,并且,這樣的邊緣態(tài)絕對不能在有同樣對稱性的低維度系統(tǒng)中實現(xiàn)。在理論上人們已經(jīng)意識到,其他的對稱性同樣可以保護類似的拓撲絕緣體〔或者拓撲超導(dǎo)體,取決于對稱性中是否包括電荷的U〔1對稱性。并且,從20XX以來,人們已經(jīng)對沒有相互作用的費米子系統(tǒng)的所有拓撲絕緣體或者拓撲超導(dǎo)體進行了成功分類。20XX以來,拓撲絕緣體的概念已經(jīng)被拓展成為一個更為寬泛的概念：symmetryprotectedtopologicalstates。目前,凝聚態(tài)理論物理學(xué)界已經(jīng)對各個維度的玻色子系統(tǒng)中symmetryprotectedtopologicalstates的分類還沒有最后完成。從現(xiàn)象上說,拓撲絕緣體有其他絕緣體所不具備的特殊性質(zhì)。比如,根據(jù)理論預(yù)測,三維拓撲絕緣體與超導(dǎo)體的界面上的vortexcore中將會形成零能Majorana費米子,這一特點有可能實現(xiàn)拓撲量子計算。拓撲絕緣體材料的制備方法與特性拓撲絕緣體的特殊結(jié)構(gòu)決定了拓撲絕緣體材料具有一些獨特的優(yōu)點。拓撲絕緣體的體電子態(tài)為絕緣態(tài),而在其表面卻有自旋相關(guān)的導(dǎo)電通道,這就說明了拓撲絕緣體在自旋電子學(xué)方面具有潛在的應(yīng)用前景。以下就以和SnTe為例,介紹拓撲絕緣體的特性,及其制作方法。20XX,普林斯頓大學(xué)的實驗小組夏等用ARPES和第一原則的計算方法。對表面的能帶結(jié)構(gòu)做了研究,他們觀測到拓撲絕緣體的一個特有的信號：一個單獨的狄拉克圓錐[8]。20XX中國科學(xué)院物理研究所和北京凝聚態(tài)國家實驗室的張海軍等人與美國斯坦福大學(xué)的張守晟合作完成了相應(yīng)的理論工作,他們用電子結(jié)構(gòu)的分析方法表明,只是許多有大能隙拓撲絕緣體中的一種,很可能在將來的試驗中成為比更好地參考材料[9]。3.1拓撲絕緣體的結(jié)構(gòu)和是近幾年拓撲絕緣材料研究的焦點,它們都是由第V主族和VI主族的元素構(gòu)成,晶體的結(jié)構(gòu)都屬于<R>六方晶系。在沿著C軸的方向上,和晶體可視為六面體層化合物,每一層的原子面上只具有相同的原子種類,每兩個Bi單原子層和Se〔Te單原子層按照Se〔Te〔1-Bi-Se〔Te〔2-Bi-Se<Te><1>的[排布方式組成一個含有五個原子層的周期結(jié)構(gòu),稱為五原子層的周期結(jié)構(gòu),稱五原子層〔Quintuplelayer,簡稱QL如圖3-1所示。圖3-1和的層狀晶體結(jié)構(gòu)圖拓撲絕緣體的表面拓撲性質(zhì)很容易被體態(tài)掩蓋,導(dǎo)致難以觀察到拓撲絕緣現(xiàn)象。由于納米材料具有大的比表面積,所以納米結(jié)構(gòu)有利于研究其獨特的表面態(tài),在探究自旋電子學(xué)的潛在應(yīng)用方面也具有優(yōu)勢[10-12]。3.2拓撲絕緣體的制備的制備目前制備的由于存在Se空位和環(huán)境誘導(dǎo)的重電子摻雜,使得其拓撲表面性質(zhì)被體態(tài)掩蓋,難以觀察到拓撲絕緣現(xiàn)象Hsish等人20XX在中摻雜,使體系費米能級調(diào)制能隙之中[13]。20XX,Jin等通過理論急計算得出當S取代表面層的Se原子時,其電子態(tài)表面不會發(fā)生多大變化,但是當O取代Se原子時,狄拉克點將移至高能帶區(qū)域[14]。和異質(zhì)結(jié)構(gòu)的制備與表征[3]：第一步,生長納米片。通過實驗研究作者發(fā)現(xiàn)一般納米片的大小小于納米片的大小,所以先生長納米片作為基底。第二步,用記號筆在硅片表面,畫上井字型的網(wǎng)格,的,在每一個網(wǎng)格中點一個點。第三步,定位,記下沒個網(wǎng)格的編號。第四步,在硅片上選取較大的納米片,作為參考基準,多選幾個。選完之后進行AFM的測量第五步,每一個樣品都需要掃一份小的AFM圖和一份更大范圍的,如的,幫助后面的二次沉淀之后的定位。3.3拓撲晶態(tài)絕緣體制備碲化錫是一種新型的拓撲絕緣材料,它是由晶體結(jié)構(gòu)鏡面對稱性的金屬態(tài)表面保護的。與傳統(tǒng)的時間反演對稱性保護的Z2型拓撲絕緣體不同,以碲化錫為代表的新型拓撲絕緣體可以稱為"拓撲晶態(tài)絕緣體"。角分辨光電子能譜實驗發(fā)現(xiàn)了碲化錫表面態(tài)的第一布里淵區(qū)存在著四個狄拉克錐,即偶數(shù)個能帶反轉(zhuǎn)點。壓力可以調(diào)制帶隙,進而改變材料的基本電子特性。壓力可以改變碲化錫立方相的穩(wěn)定性和帶隙的變化,這對拓撲絕緣體的實際應(yīng)用具有重要的探索意義。碲化錫是一種典型的窄帶隙半導(dǎo)體,其帶隙值隨溫度、摻雜和壓強等極端條件的變化而變化。所以我們利用高壓同步輻射實驗結(jié)合第一性原理理論的計算方法對碲化錫進行系統(tǒng)的高壓結(jié)構(gòu)研究,確定碲化錫在常溫高壓下的復(fù)雜結(jié)構(gòu)相變過程。圖3-3的面心立方結(jié)構(gòu)圖3-3的面心立方結(jié)構(gòu)我們基于粒子群優(yōu)化算法〔CALYPSO>[41,132]結(jié)合第一性原理計算方法,對SnTe在0-60GPa的壓強環(huán)境下,進行了原胞含有1-4倍形成單元的結(jié)構(gòu)預(yù)測。采用基于Perdew-Burke-Ernzerh的廣義梯度近似[103]處理交換關(guān)聯(lián)勢,程序執(zhí)行的軟件包為VASP[133]。3.4拓撲絕緣體的特性拓撲絕緣體的特異性結(jié)構(gòu)決定了拓撲材料的獨特的優(yōu)點。這類材料是純的化學(xué)相,非常穩(wěn)定且容易合成；其次表面態(tài)只有一個狄拉克點的存在,是最簡單的強拓撲絕緣體,也為理論模型的研究提供了很好的平臺；最重要的是這種材料的體能隙非常大,遠遠的超出了室溫能量尺度,意味著可能實現(xiàn)室溫低能耗的自旋電子器件。這些重要的特征保證了拓撲絕緣體將有可能在未來的電子技術(shù)發(fā)展中獲得重要的應(yīng)用,有著巨大的應(yīng)用潛力。目前,尋找具有足夠大的體能隙并且具有化學(xué)穩(wěn)定性的強拓撲絕緣體材料,已經(jīng)成為了人們關(guān)注和研究的焦點。結(jié)論拓撲絕緣體具有新奇的性質(zhì),雖然與普通絕緣體一樣具有能隙,但拓撲性質(zhì)不同,在拓撲絕緣材料中,存在著很強的自旋軌道耦合,其電子結(jié)構(gòu)會呈現(xiàn)非平庸的拓撲特性,這使得拓撲絕緣體的表面存在受拓撲保護的金屬態(tài),具有非常奇妙的物理性質(zhì)。因此,尋找新型具有大帶隙〔體內(nèi)電子態(tài)、高化學(xué)惰性、高熱穩(wěn)定性的強拓撲絕緣體材料,將成為材料領(lǐng)域的重大焦點問題之一。本文以拓撲絕緣體這一種全新的物質(zhì)形態(tài)作為研究中心,介紹了拓撲絕緣體的定義與分類,并且對拓撲絕緣體材料與絕緣體材料就其物理特性得不同,加以區(qū)分。另外,本文還以為例,介紹了拓撲絕緣體的特性,及其制作方法。參考文獻[1]周丹.SnTe高壓結(jié)構(gòu)相變與物性研究.〔XX大學(xué)博士學(xué)位論文,2014[2]張艷陽.拓撲絕緣體簡介.Vol.35No.12Dec.2013物理教學(xué)報[3]陸浩然.幾種拓撲絕緣體微結(jié)構(gòu)材料的制備及其相干輸運觀察.〔XX大學(xué)碩士學(xué)位論文,2015[4]J.E.MooreandL.Balents,Topologicalinvariantsoftime-reversal-invariantbandstructure,Phys.Rev.75,121306<R><2007>[5]R.Roy,TopologicalinsulatorsinThreeDimensions,Phys.Rev.Lett.79,195322<2009>[6]L.Fu,C.L.Kane,andE.J.Mele,TopogicalinsulatorsinThreeDimensions,Phys.Rev.Lett.98,106803<2007>[7]ZhangH,LiuC