拓?fù)浣^緣體材料鐵磁性及表面態(tài)的調(diào)控.pdf

1、拓?fù)浣^緣體作為一種新發(fā)現(xiàn)的量子物態(tài)，具有奇異的物理性質(zhì)，并在自旋電子學(xué)和量子計算等方面有著潛在的重大應(yīng)用價值。拓?fù)浣^緣體的體電子結(jié)構(gòu)為有帶隙的絕緣體，但表面或邊界卻為無帶隙的金屬態(tài)。拓?fù)浣^緣體材料中表面帶隙的打開是實現(xiàn)許多奇異現(xiàn)象的必要條件，而雜質(zhì)元素?fù)诫s引入鐵磁序是破壞拓?fù)浣^緣體時間反演對稱性從而打開表面帶隙的重要方法。例如，通過在Bi2Se3、Bi2Te3或Sb2Te3中引入過渡金屬元素(Fe或者Cr)可以實現(xiàn)一類最基本的破壞了時間

2、反演對稱性的二維磁性拓?fù)浣^緣體，并且只要具備適當(dāng)?shù)臏囟群蛽诫s濃度等條件，薄膜體系就可以實現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)。最近，該理論預(yù)言已得到實驗的證實。
　　 目前，已有大量的拓?fù)浣^緣體材料被人們預(yù)言和證實。在這眾多拓?fù)浣^緣體材料中，具有較大體帶隙和最簡單表面Dirac能譜的Bi2Te3，Bi2Se3和Sb2Te3引起了人們廣泛的關(guān)注。然而可制備的Bi2Te3，Bi2Se3和Sb2Te3中卻存在著大量的本征缺陷，并且Bi2Te3的Dira

3、c點位于表面的費米能級以下，這就大大阻礙了該類拓?fù)浣^緣體材料中奇異物理現(xiàn)象的實現(xiàn)以及它們在器件制備中的應(yīng)用。因此，如何抑制Bi2Te3，Bi2Se3和Sb2Te3的本征缺陷并實現(xiàn)對電子結(jié)構(gòu)等的有效調(diào)控成為了該研究領(lǐng)域亟待解決的問題。此外，TlBiTe2(TlBiSe2)和Bi2Te2Se由于分別具有較為理想的Dirac錐和較大的體電阻也引起了人們較為廣泛的關(guān)注。
　　 本文中，我們系統(tǒng)地研究了拓?fù)浣^緣體材料鐵磁性和表面態(tài)的調(diào)控，

4、并針對實驗上具有爭議的一些問題給出了合理的解釋。本論文共分為七章。第一章簡要介紹了拓?fù)浣^緣體的特征及發(fā)展歷程。第二章介紹了密度泛函理論并對文中所采用的第一性原理計算軟件包做了說明。第三章介紹了幾何相位和d0磁性。第四章分節(jié)闡述了過渡金屬元素以及2p輕元素單摻、共摻等對拓?fù)浣^緣體材料鐵磁性和表面態(tài)的調(diào)控，并討論了量子反?；魻栃?yīng)等奇異現(xiàn)象在拓?fù)浣^緣體薄膜中實現(xiàn)的可能性。第五章研究了TlBi(S1-xSex)2和(Bi1-xSbx)2Te3

5、固溶體體系中的拓?fù)湎嘧兒捅砻鎽B(tài)調(diào)控。第六章探索研究了應(yīng)力和自旋軌道耦合在拓?fù)渚Ы^緣體材料實現(xiàn)中的作用。第七章對本文的研究內(nèi)容做了總結(jié)，并指出了拓?fù)浣^緣體研究領(lǐng)域亟待解決的問題以及后續(xù)的研究計劃。本文的研究內(nèi)容和主要結(jié)論如下所述:
　　 (1)研究了旋轉(zhuǎn)磁場中相互作用自旋1/2兩粒子體系的幾何相位，證明了非局域相互作用不影響態(tài)的可分離性的可能性，并給出了使該自旋1/2兩粒子體系的初始分離態(tài)保持可分離性的充分必要條件，此時該相互作用

6、自旋1/2兩粒子體系的總幾何相在任意時刻均等于其子體系幾何相的和。
　　 (2)基于密度泛函理論，研究了C在Mg3N2兩不等價N位置替位時的電子結(jié)構(gòu)和自旋極化性質(zhì)。研究結(jié)果表明C在兩個不等價N位置均能引入1.0μB磁矩，但其電子結(jié)構(gòu)卻因兩不等價N位置的局域幾何結(jié)構(gòu)和對稱性不同而相差較大。進(jìn)一步研究表明C摻雜Mg3N2中能夠?qū)崿F(xiàn)較為穩(wěn)定的鐵磁耦合。
　　 (3)研究了過渡金屬元素Mn摻雜Bi2Te3的磁耦合特性及其對拓?fù)浔?/p>

7、面態(tài)的調(diào)控作用。研究結(jié)果表明Mn在Bi位置的替位摻雜能夠在體系中引入自旋極化的隙態(tài)以及4.0μB磁矩，并且體系中足夠的空穴載流子濃度是引入局域自旋磁矩的必要條件。摻雜元素Mn間的超交換作用是Mn摻雜Bi2Te3體系中形成穩(wěn)定鐵磁性的來源。引入的鐵磁序會破換體系的時間反演對稱性，并在原Dirac點位置打開帶隙。
　　 (4)首次開展了2p輕元素Ⅹ(Ⅹ=B，C和N)對拓?fù)浣^緣體材料Ⅴ2Ⅵ3(Ⅴ=Bi和Sb，Ⅵ=Se和Te)的磁耦合特

8、性及拓?fù)浔砻鎽B(tài)的調(diào)控作用的研究。研究結(jié)果表明X在陰離子位置的替位摻雜能夠在體系中形成穩(wěn)定的鐵磁序并在表面Dirac點處打開帶隙。摻雜的輕元素X具有足夠局域化的2p軌道是X摻雜Ⅴ2Ⅵ3中形成穩(wěn)定的磁性基態(tài)的必要條件。足夠局域化的2p軌道與體系中Ⅹ-Ⅴ鍵長息息相關(guān)，而Ⅹ-Ⅴ鍵長則主要由摻雜位置的周圍環(huán)境、離子半徑以及摻雜元素X與Ⅴ2Ⅵ3陰離子的相對電負(fù)性強度所決定。
　　 (5)探討了三元拓?fù)浣^緣體材料Bi2Te2Se中實現(xiàn)可調(diào)表面

9、和絕緣有質(zhì)量Dirac費米子態(tài)的可能性。研究表明，O替位Bi2Te2Se(111)表面最外層的Te能夠?qū)Ρ砻孢M(jìn)行有效調(diào)節(jié)，并實現(xiàn)理想的Dirac錐。Cr和O在Bi2Te2Se中Bi和Te位置共摻則不僅能使體系原Dirac點上升至體帶隙，還可以在原Dirac點打開帶隙，并使費米能級位于體帶隙和表面帶隙中，從而實現(xiàn)絕緣有質(zhì)量Dirac費米子態(tài)。此外，Bi2Te2Se中Mn和F在Bi和Te位置共摻也可以在非理想Dirac錐的情況下實現(xiàn)絕緣有質(zhì)

10、量Dirac費米子態(tài)。
　　 (6)從理論上證明了拓?fù)浣^緣體材料Bi2Te3中磁性和非磁性元素共摻是實現(xiàn)絕緣有質(zhì)量Dirac費米子態(tài)的有效方法。M(M=Ti，V，Cr，Mn和Fe)替位Bi可在Bi2Te3(111)表面中引入垂直于平面的磁矩，在Dirac點打開帶隙，但此時表面中仍有許多能帶穿過費米能級。O替位(111)表面最外層的Te能夠?qū)Ρ砻孢M(jìn)行有效調(diào)節(jié)，并使其Dirac點上移至體帶隙中，從而實現(xiàn)理想的Dirac錐。Fe/O在

11、Bi2Te3中的共同作用則不僅可以在Dirac點打開帶隙，還可以使費米能級位于體帶隙和表面帶隙中，從而在Bi2Te3中實現(xiàn)絕緣有質(zhì)量Dirac費米子態(tài)。
　　 (7)研究了三元拓?fù)浣^緣體材料TlBiTe2和TlBiSe2中實現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng)的可能性。研究結(jié)果表明具有鐵磁性的拓?fù)浣^緣體薄膜的霍爾電導(dǎo)在一定條件下可被量子化。在雜質(zhì)元素Ti，Cr，F(xiàn)e和Au中，Cr在Tl和Bi位置替位摻雜均不會引入載流子，并可以實現(xiàn)穩(wěn)定的鐵磁基態(tài)，

12、是TlBiTe2和TlBiSe2中實現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng)的最理想的摻雜材料。
　　 (8)基于第一性原理計算和有效哈密頓量模型分析，從理論上研究了TlBi(S1-xSex)2固溶體從傳統(tǒng)絕緣體到拓?fù)浣^緣體的拓?fù)湎嘧円约皼]有破壞時間反演對稱性時表面帶隙的引入。研究表明TlBi(S1-xSex)2固溶體中自旋軌道耦合強度和晶格參數(shù)的改變是固溶體體系發(fā)生拓?fù)湎嘧兊母驹颍孕壍礼詈蠌姸群途Ц駞?shù)的改變則是由Se濃度x的變化所引起的

13、。Dirac錐在體系是否破壞空間反演對稱性時完全不同，并且空間反演對稱的破壞會在原Dirac點位置打開帶隙。我們的研究為最近實驗[Science332，560(2011); Nat.Phys.7，840(2011)]中觀察到的不同現(xiàn)象提供了理論解釋及證明。
　　 (9)研究了固溶體(Bi1-xSbx)2Te3中絕緣的體電子態(tài)及可調(diào)節(jié)Dirac錐的實現(xiàn)，這對拓?fù)浣^緣體在自旋電子學(xué)和量子計算等方面的應(yīng)用具有非常重要的意義。研究結(jié)果表

14、明，任意濃度x的(Bi1-xSbx)2Te3中均會發(fā)生能帶反轉(zhuǎn)，即實現(xiàn)了一系列非平庸的拓?fù)浣^緣體。并且伴隨著Sb濃度x的增加，狄拉克點一直向上移動直到位于體能隙內(nèi)。此外，隨著x的增大，(Bi1-xSbx)2Te3中的本征缺陷越來越難以形成，從而實現(xiàn)了具有真正絕緣體電子態(tài)的拓?fù)浣^緣體材料。
　　 (10)以SnTe和PbTe為例系統(tǒng)地研究了應(yīng)力及自旋軌道耦合在實現(xiàn)拓?fù)渚Ы^緣體材料中的作用。研究結(jié)果表明，在不考慮自旋軌道耦合作用而僅

15、僅在應(yīng)力的作用下，SnTe和PbTe中也能實現(xiàn)能帶反轉(zhuǎn)。然而，自旋軌道耦合對拓?fù)渚Ы^緣體的形成卻必不可少，并且它還可以促進(jìn)體系能帶反轉(zhuǎn)的實現(xiàn)。拓?fù)浔砻鎽B(tài)的研究表明表面態(tài)性質(zhì)與薄膜厚度息息相關(guān)，并且Dirac點隨著厚度變化既可以位于鏡像對稱點也可以稍微遠(yuǎn)離鏡像對稱點。我們的研究結(jié)果對新的拓?fù)渚Ы^緣體的實現(xiàn)具有重要意義。
　　 以上研究結(jié)果闡明了雜質(zhì)對拓?fù)浣^緣體材料電子結(jié)構(gòu)、自旋結(jié)構(gòu)及相關(guān)性質(zhì)的調(diào)控機(jī)理及作用規(guī)律，給出了引入拓?fù)浣^緣