《拓扑绝缘体.本科毕业论文.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《拓扑绝缘体.本科毕业论文.doc（19页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、2016届毕业论文 本科毕业论文本科毕业设计（题 目：新型拓扑绝缘材料的研究工厂搬迁对于一个企业来说，安全问题始终是第一位的，也是最基本的，过程中所涉及到的安全问题主要是人员的安全和设备拆装以及财产的安全。各部门经理和所有员工一定要以安全为核心，开展各项工作，职责到人、分工明确。延边大学本科毕业论文摘 要 拓扑绝缘体是一种新的量子物态，为近几年来凝聚态物理学的重要科学前沿之一，已经引起的巨大的研究热潮。拓扑绝缘体具有新奇的性质，虽然与普通绝缘体一样具有能隙，但拓扑性质不同，在自旋一轨道耦合作用下，在其表面或与普通绝缘体的界面上会出现无能隙、自旋劈裂且具有线性色散关系的表面/界面态。这些态受时间
2、反演对称性保护，不会受到杂质和无序的影响，由无质量的狄拉克(Dirac)方程所描述。从广义上来说，拓扑绝缘体可以分为两大类 ：一类是破坏时间反演的量子霍尔体系，另一类是新近发现的时间反演不变的拓扑绝缘体，这些材料的奇特物理性质存在着很好的应用前景。理论上预言，拓扑绝缘体和磁性材料或超导材料的界面，还可能发现新的物质相和预言的Majorana费米子，它们在未来的自旋电子学和量子计算中将会有重要应用。拓扑绝缘体还与近年的研究热点如量子霍尔效应、量子自旋霍尔效应等领域紧密相连，其基本特征都是利用物质中电子能带的拓扑性质来实现各种新奇的物理性质。关键词：拓扑绝缘体，量子霍尔效应，量子自旋霍尔效应，Ma
3、jorana费米子AbstractIn recent years, one of the important frontiers in condensed matter physics, topological insulators are a new quantum state, which has attract many researchers attention. Topological insulators show some novel properties, although normal insulator has the same energy gap, but topolo
4、gical properties are different. Under the action of spin-orbit coupling interaction, on the surface or or with normal insulator interface will appear gapless, spin-splitting and with the linear dispersion relation of surface or interface states. These states are conserved by the time reversal symmet
5、ry and are not affected by the effect of the impurities and disorder, which is described by the massless Dirac equation. Broadly defined, topological insulators can be separated into two categories: a class is destroy time reversal of the quantum Hall system, another kind is the newly discovered tim
6、e reversal invariant topological insulators, peculiar physical properties of these materials exist very good application prospect. Theoretically predicted, the interface of topological insulators and magnetic or superconducting material, may also find new material phase and the prophecy of Majorana
7、fermion, they will have important applications in the future spintronics and quantum computing . Topological insulators also are closely linked with the research hotspot in recent years, such as the quantum Hall effect, quantum spin Hall effect and other fields. Its basic characteristics are to achi
8、eve a variety of novel physical properties by using the topological property of the material of the electronic band.Keywords:Topological insulator;quantum hall effect;quantum spin-Hall effect;Majorana fermion 目 录引 言1第一章 拓扑绝缘体简介21.1 绝缘体、导体和拓扑绝缘21.2 二维拓扑绝缘体31.3三维拓扑绝缘体3第二章 拓扑绝缘体的研究进展与现状52.1拓扑绝缘体研究进展52.
9、2拓扑绝缘体的研究现状6第三章 拓扑绝缘体材料的制备方法与特性73.1 拓扑绝缘体的结构73.2 拓扑绝缘体的制备的制备83.3 拓扑晶态绝缘体制备93.4拓扑绝缘体的特性9结论10参考文献11谢 辞13 引 言拓扑绝缘体是一种新的量子物态，为近几年来凝聚态物理学的重要科学前沿之一，已经引起的巨大的研究热潮。拓扑绝缘体具有新奇的性质，虽然与普通绝缘体一样具有能隙，但拓扑性质不同，在拓扑绝缘材料中，存在着很强的自旋轨道耦合，其电子结构会呈现非平庸的拓扑特性，这使得拓扑绝缘体的表面存在受拓扑保护的金属态，具有非常奇妙的物理性质。在自旋一轨道耦合作用下，在其表面或与普通绝缘体的界面上会出现无能隙、自
10、旋劈裂且具有线性色散关系的表面/界面态。这些态受时间反演对称性保护，不会受到杂质和无序的影响，由无质量的狄拉克(Dirac)方程所描述。从广义上来说，拓扑绝缘体可以分为两大类 ：一类是破坏时间反演的量子霍尔体系，另一类是新近发现的时间反演不变的拓扑绝缘体，这些材料的奇特物理性质存在着很好的应用前景。拓扑绝缘体的内部是具有带隙的，就像一个普通的绝缘体，但在其边缘或表面态的导体特征是由于自旋轨道耦合相互作用和时间反演对称性导致的。这种独特的电子特征将使拓扑绝缘体在未来可能成为电子技术发展的重要推动力量，如拓扑绝缘体潜在可以制成室温（甚至高温）下低能耗的自旋电子器件等1。因此，寻找新型具有大带隙（体
11、内电子态）、高化学惰性、高热稳定性的强拓扑绝缘体材料，将成为材料领域的重大焦点问题之一。由于自旋轨道相互作用可导致拓扑绝缘电子相，因此预测和在现实材料中探索拓扑绝缘电子相的存在成为了凝聚态物理的一个全新的研究领域。本文以拓扑绝缘体这一种全新的物质形态作为研究中心，介绍拓扑绝缘体的定义与分类，拓扑绝缘体材料与绝缘体材料的区分和物理方面表现出来的特性，与其制备方法和对量子计算和基础物理的多方面领域的重要作用。本文以拓扑绝缘体这一种全新的物质形态作为研究中心，介绍拓扑绝缘体的定义与分类，拓扑绝缘体材料与绝缘体材料的区分和物理方面表现出来的特性，与其制备方法和对量子计算和基础物理的多方面领域的重要作用
12、。第一章 拓扑绝缘体简介1.1 绝缘体、导体和拓扑绝缘按照导电性质的不同，材料可分为“导体”和”绝缘体“两大类。其中绝缘体材料在其费米能级处存在着有限大小的能隙，没有自由载流子，因此绝缘体是不善于导电的物质；导体一般为金属材料，金属材料在费米能级处存在着有限的电子态密度，进而拥有自由载流子，导体则是电阻率很小易于导电的物质。而更进一步，根据电子态的拓扑性质不同，“绝缘体”和“导体”还可以进行更加细致的划分，拓扑绝缘体就是区别于其它绝缘体的一种绝缘体。拓扑是研究几何物体在连续的形变中保持不变的量，它的特点是对于细节和连续变化的不敏感。拓扑绝缘体和人们认识的绝缘体一样是绝缘的，但是它的边界或表面总
13、是存在导电的边缘态，这是它有别于普通绝缘体的最独特的性质。图1-1：金属、绝缘体和拓扑绝缘体的关系从理论上分析，这类材料的体内能带结构是典型的绝缘体类型，在费米能处存在着能隙，然而在这类材料的表面总是存在着穿越能隙的狄拉克型的电子态，因而导致了其表面总是金属性的，这样的导电边缘态是稳度存在的，且不同自旋的导电电子的运动方向是相反的，所以信息的传递可以通过电子的自旋，而不像传统的材料通过电荷，不涉及耗散过程。在绝缘材料中电子保持在每个原子和相邻原子之间形成化学键附近的微观尺度内做局部运动。这种运动虽然没有消耗，但是它却无法传导宏观的电流。而对于导体中的电子是可以运动较长的距离和传导宏观电流的，但
14、是在电子长距离的运动过程中容易被杂质和晶格震动散射到不同的量子态，这就导致了能量的损耗。拓扑绝缘体的块体内部属于能带绝缘体，但由于电子结构的特殊“拓扑”性质，其表面电子却处于运输能力极强的超金属态，两种表面相反的电子系统一于一体，并且来源于相同的物理本质，这一现象实在令人惊叹物理规律的神奇精妙，从基础研究的角度来看，拓扑绝缘体具有深刻的物理和数学根源，是量子力学中的“相位”的一种非平庸体现，完全没有经典力学的对应，从实际应用的角度来看，拓扑绝缘体内禀的、高度稳定和低耗散的表面运输机制成为实现高速、高效和低能耗的量子操控（存储、传递、计算）的重要选材料，为新一代的革命性的信息材料提供了丰富的联想
15、空间1。1.2 二维拓扑绝缘体2005年以来凝聚态物理学界的重大进展之一就是在具有强自旋轨道耦合的材料中预言和发现了这类拓扑绝缘体。21世纪初，张首晟带领团队开始研究二维拓扑绝缘体，也就是量子自旋霍尔效应。霍尔效应最初是由科学家埃德温霍尔在19世纪末发现，即通电导体在磁场作用下使电流运动方向改变90。1980年，科学家又发现在极低温和强磁场条件下，霍尔效应会呈现电子按顺时针沿导体边缘运动，即量子化的表现形式，这就是量子霍尔效应。与无序运动导致热量消耗相比，量子霍尔效应中的电流几乎没有能量损失，由此引发了科学界研制新的电脑元器件的设想。最早的拓扑绝缘体理论模型是建立在当时发现不久的石墨烯上面的，然而由于碳原子的自旋轨道耦合效应很弱，这个理论模型其实不能在实验上实现。于是人们就开始在重元素组成的材料中寻找量子自旋霍尔效应。研究人员发现，典型的二维的拓扑绝缘体是HgTe/CdTe量子阱，HgTe/CdTe量子阱具有很强的自旋轨道耦合，而且其导带和价带的相对位置可以通过其中HgTe层的厚度来调节2。张首晟等人发现，HgTe/CdTe量子阱存在一个临界厚度，当量子阱的厚度小于时，体系是正常的绝缘体，吧费米面
