高溫量子反?；魻栃睦碚撎骄?pdf

1、拓撲相具有獨特的物理性質，它既保持著體絕緣性，同時又擁有無能隙的表面態(tài)或邊界模，在低耗散電子學或自旋電子學領域中有著極大的應用潛力，因而引起了人們極大的研究熱情。拓樸相在量子阱、三族到五族原子尺度晶體層材料和過渡金屬化合物等二維體系中，主要有Z2拓撲絕緣體、量子反常霍爾效應以及量子谷霍爾效應等幾種。其中量子反?；魻栃唧w表現(xiàn)為:體系在無外加磁場時被施加縱向的電場后能夠產(chǎn)生量子化的橫向電導。其來源為自旋軌道耦合與體系內(nèi)稟磁場的共同作用。

2、石墨烯和拓撲絕緣體因為其獨特的線性狄拉克色散關系，都可作為研究量子反常霍爾效應的理想平臺。不過，目前實驗上還沒有在石墨烯上觀測到量子反?；魻栃?。而在拓撲絕緣體中，人們在目前實驗上都只能于極低溫度下才能成功觀測到量子反?；魻栃瑹o法在稍高溫度或室溫時將其實現(xiàn)，從而難以制作理想的電子或自旋電子器件。
　　在本文中，我們的研究采用了電子型-空穴型共摻雜方法，從理論上顯著地提升了基于石墨烯和拓撲絕緣體兩種體系的量子反?；魻栃膶崿F(xiàn)溫

3、度，對拓撲電子學的發(fā)展和未來器件的制作有著積極的推動作用。本論文內(nèi)容共包含五章，每章的主要內(nèi)容概括如下:
　　第一章主要介紹了拓樸相中的量子反?；魻栃?，及其在各種二維體系如蜂窩狀晶格體系、量子阱、其他有機或人造狄拉克材料、原子級層狀材料等中各自的形成機制和理論、實驗研究進展。
　　第二章采用了第一性原理計算的方法，提出了一種新的磁性雜質摻雜方案，從理論上能夠實現(xiàn)量子反?；魻栃诟邷叵驴赡艿膶嶒炗^測。該手段即為在三維拓撲絕

4、緣體中進行電子-空穴共摻雜。本章以礬-碘共摻的Sb2Te3為實例進行具體分析，證明了即使是在大約2％V和1％I的低摻雜濃度下，共摻后體系也能夠表現(xiàn)出標志著量子反常霍爾效應的量子霍爾電導，且觀測溫度可高達50開爾文，高出了目前已有普通QAHE體系可觀測溫度三個數(shù)量級。這種方法在實驗的實現(xiàn)上較為常規(guī)，因此實驗上很容易進行驗證。2017年，何鈳等人根據(jù)類似的磁摻雜方案，從實驗上成功在Cr-V共摻的(Bi，Sb)2Te3體系中實現(xiàn)了較高溫度的量

5、子反?；魻栃?。
　　第三章運用第一性原理計算方法，系統(tǒng)性地研究了3d過渡金屬原子在石墨烯上與硼原子共摻雜的電子-空穴共摻效果。研究發(fā)現(xiàn)，共摻機制能夠使3d過渡金屬原子在石墨烯上成功形成原子級的穩(wěn)定吸附，解決了一直以來石墨烯上摻雜原子容易聚集成團簇的難題。其中鎳硼共摻的石墨烯體系不僅擁有長程鐵磁態(tài)，還打開了拓撲非平庸能帶隙并實現(xiàn)了量子反?；魻栃?。對其各種共摻濃度的體系進行分析，模擬得到的鐵磁居里溫度都能高達10開爾文，從而預言了

6、較高溫度下實驗上實現(xiàn)量子反?；魻栃目赡苄浴?br>　　第四章也利用了第一性原理計算，系統(tǒng)性地研究5d過渡金屬原子-硼原子共摻石墨烯體系的拓撲性質。結果顯示，首先，電子型和空穴型摻雜物之間的靜電吸引作用有效地增強了5d過渡金屬吸附原子在石墨烯上的吸附能力，并抑制了它們不利的聚集成團現(xiàn)象。其次，計算得到的Re-B和Pt-B共摻石墨烯體系中的Rashba劈裂能可以分別達到158和85meV，高出了已經(jīng)有所報道的內(nèi)稟自旋軌道耦合作用強度多個