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1、本科生毕业论文（设计）册学院 物理科学与信息工程学院 专业 物理学 班级 2010 届物理 1 班 学生 赵彦博 指导教师 张迎涛 河北师范大学本科毕业论文（设计）任务书编 号： 2006013551 论文（设计）题目：简述一种新型的电子材料拓扑绝缘体 学 院：物理科学与信息工程学院 专业：物理学 班级： 2010 届物理 1 班 学生姓名： 赵彦博 学号： 551 指导教师：张迎涛 职称：副教授 1、论文（设计）研究目标及主要任务研究目标：系统介绍凝聚态物理中一种新型的电子材料拓扑绝缘体。主要任务：对拓扑绝缘体的理论发现过程和近来观测到它们明显特征的一些实验进行描述，并对这个领域可能的发展方
2、向作些讨论。2、论文（设计）的主要内容这篇文章将从理论和实验两个角度来阐述拓扑绝缘体这个快速发展的新领域。文章分为 5 部分。第 1 部分为引言；第 2 部分，文章将对拓扑能带理论作一个简单介绍，并对量子霍尔效应和拓扑绝缘体中的“拓扑有序”作些解释；第 3 部分将重点描述二维拓扑绝缘体（也叫量子自旋霍尔绝缘体）现象，并对发现这些现象的 HgCdTe 量子势阱实验进行描述；在第 4 部分讨论三维拓扑绝缘体，首先将阐述 Bi1-xSbx 的实验发现过程，然后介绍近来在第二代拓扑绝缘体材料 Bi2Se3 和 Bi2Te3 上所做的一些工作；第 5 部分中将对这些新材料，新实验和一些开放性的问题作总结
3、性的讨论。3、论文（设计）的基础条件及研究路线基础条件：拓扑绝缘体这个新领域发展很快，新的研究成果不断发表，其中的一些主要文献都可由图书馆购买的数据库或互联网检索到，而指导教师所研究的方向也正是凝聚态，可以给我提供一些必要的帮助，因此，具备写这样一篇综述性论文的条件。研究路线：（1）描述拓扑绝缘体的理论发现过程；（2）描述近来观测到它们明显特征的一些实验；（3）讨论这个领域可能的发展方向作。4、主要参考文献1.Kane, C. L. and E. J. Mele, 2005a, Phys. Rev. Lett. 95,2268012.Kane, C. L. and E. J. Mele, 20
4、05b, Phys. Rev. Lett. /95, 146802.3. Bernevig,B.A.,T.A.Hughes,andS.C.Zhang,2006,Science314, 1757.4. Knig,M.,S.Wiedmann,C.Brne,A.Roth,H.Buhmann,L.W. Molenkamp, X. L. Qi and S. C. Zhang, 2007, Science318, 766.5.Fu,L.,C.L.KaneandE.J.Mele,2007,Phys.Rev.Lett.98,106803.6.Moore, J. E. and L. Balents, 2007,
5、 Phys. Rev. B 75,121306(R).7. Roy, R., 2009, Phys. Rev. B 79, 195322; arXiv:cond-mat/0607531.8. Fu, L. and C. L. Kane, 2007, Phys. Rev. B 76, 045302.9. Xia,Y.,D.Qian,D.Hsieh,L.Wray,A.Pal,H.Lin,A.Bansil,D. Grauer, Y. S. Hor, R. J. Cava and M. Z. Hasan, 2009Nat. Phys. 5, 398.10. Zhang H., C. X. Liu, X
6、. L. Qi, X. Dai, Z. Fang and S. C.Zhang, 2009, Nature Physics 5, 438.11. Hsieh, D., Y. Xia, D. Qian, L. Wray, J. H. Dil, F. Meier, J.Osterwalder, L. Patthey, J. G. Checkelsky, N. P. Ong, A.V. Fedorov, H. Lin, A. Bansil, D. Grauer, Y. S. Hor, R. J.Cava and M. Z. Hasan, 2009b, Nature 460, 1101.5、计划进度阶
7、段 起止日期1 选择课题，收集材料 2010.1.5-2010.1.202 阅读文献，整理材料 2010.3.10-2010.4.203 设定大纲，撰写论文 2010.4.21-2010.5.1045指 导 教师： 年 月 日教研室主任： 年 月 日注：一式三份，学院（系）、指导教师、学生各一份河北师范大学本科生毕业论文（设计）开题报告书物理科学与信息工程 学院 物理学 专业 2010 届学生姓名赵彦博 论文（设计）题目简述一种新型的电子材料拓扑绝缘体指导教师张迎涛 专业职称副教授 所属教研室研究方向课题论证：绝缘态是物质最基本状态之一，最简单的绝缘体是原子绝缘体。20 世纪基于量子力学而发展
8、起来的能带理论为描述绝缘态物质中的电子结构提供了依据。在过去 5 年中，基于对自旋轨道耦合会导致拓扑绝缘现象的预言和观察，在凝聚态物理中出现了一个新的领域：拓扑绝缘体。与普通的绝缘体类似，它有一个大的能隙，把电子占据的高能带和未被电子占据的低能带分隔开了，但是，在它的表面（在二维状态下是边缘）有被时间反演对称性保护的电子态。拓扑绝缘体与具有单独手形边缘导态结构的二维整数量子霍尔状态关系密切，被称为量子自旋霍尔绝缘体，在没有磁场的情况下，它的自旋向上和向下的电子会沿边界向不同的方向传播。它的这种表面（或边缘）现象，与其他任何已知的一维或二维电子系统都具有不同性质。Kane 和 Mele 于 20
9、05 年率先发表了关于拓扑绝缘现象的报告文章，并对在石墨烯中观察到的这种现象进行了阐述。Bernevig，Hughes 和 zhang 于 2006 年成功地选择了HgCdTe 量子势阱结构，这为发现量子自旋霍尔绝缘现象创造了实验条件。随后的一些实验确实证明了量子自旋霍尔绝缘体边界现象的存在。2006 年的夏天，3 组科学家（ Fu，Kane and Mele；Moore and Balents；Roy）独立发现量子自旋霍尔绝缘体在三维状态时具有自然的一般化的拓扑特性。Moore and Balents 创造了“拓扑绝缘体”这个词来描述这种电子态。Fu，Kane and Mele 建立了块状拓
10、扑有序与独特的传导表面态之间的联系。随后预言了在一些真实的物质中存在这种电子态。Hsieh 等于 2008 年报道了第一种三维拓扑绝缘体 Bi1-xSbx 的实验发现过程。Hasan 所带领的一个小组用角分辨光电子能谱（ARPES）的实验方法,首先测定了它的表面能带图谱。同年，普林斯顿大学的一个实验小组 Xia 等用 ARPES 和第一原则的计算方法，对 Bi2Se3 表面的能带结构做了研究，说明 Bi2Se3 是一种三维拓扑绝缘体，与此同时，中国科学院物理研究所/北京凝聚态国家实验室的张海军博士、黛希研究员、方忠研究员所在的 T03 组与美国斯坦福大学的张守晟教授合作完成了相应的理论工作，研
11、究成果发表在英国的 Nature Physics 杂志上，他们还指出不仅 Bi2Se3 而且 Bi2Te3 和 Sb2Te3 也属于三维拓扑绝缘体，还指出 Bi2Se3 系列更可能在将来的实验中成为比 Bi1-xSbx 更好的参考材料。在 Bi2Se3 等晶体中掺入一些杂质如 Fe，Ca，Cu 等还会导致一些奇异的表面现象，这会引发许多值得思考的问题。另外，在其他一些由两种或多种元素组成的化合物中也可能存在拓扑绝缘现象。但这个领域仍处在发展的初级阶段，因此还有许多的工作需要人们去做。大量理论和实验的相互影响正驱使了这个新领域的发展。据调查，到目前为止还没有对这个领域进行综述的中文文献，因此设计
12、了这样一篇文章。文章重点从理论和实验两个角度阐述这个快速发展的新领域，并对这些新材料，新实验和一些开放性的问题作了总结性的讨论。并且也乐观地表明，这个有广阔前进的领域将继续向令人兴奋的新方向发展。方案设计：文章将从理论和实验两个角度来阐述拓扑绝缘体这个快速发展的新领域，共分为 5部分。第 1 部分为引言；在第 2 部分，文章将对拓扑能带理论作一个简单介绍，并对量子霍尔效应和拓扑绝缘体中的“拓扑有序”作些解释；第 3 部分将重点描述二维拓扑绝缘体（也叫量子自旋霍尔绝缘体）现象，并对发现这些现象的 HgCdTe 量子势阱实验进行描述；在第 4 部分将讨论三维拓扑绝缘体，首先阐述 Bi1-xSbx
13、的实验发现过程，然后介绍近来在第二代拓扑绝缘体材料 Bi2Se3 和 Bi2Te3 上所做的一些工作；第 5 部分中将对这些新材料，新实验和一些开放性的问题作总结性的讨论。进度计划：选择课题，收集材料 2010.1.5-2010.1.20阅读文献，整理材料 2010.3.10-2010.4.20设定大纲，撰写论文 2010.4.21-2010.5.10指导教师意见：指导教师签名： 年 月 日教研室意见：教研室主任签名： 年 月 日河北师范大学本科生毕业论文（设计）文献综述拓扑绝缘体是一种新型的电子材料，是过去 5 年中基于对自旋轨道耦合会导致拓扑现象的观察而出现的一个新领域，由于它独特的性质使
14、它可能在自旋电子学和量子计算机等方面得到广泛应用，因此发展得很快。Kane 和 Mele 于 2005 年在物理评论杂志上发表了两篇文章,可认为是这个领域的一个开端。文章提到，当不破坏时间反演对称性时，自旋轨道相互作用形成一种与一般拓扑现象不同的拓扑绝缘能带结构，这种状态与整数量子霍尔效应很相似，它被称为量子自旋霍尔效应。在没有外加磁场的情况下，这种状态中自旋向上和自旋向下的电子会沿边界向不同的方向传播，他们还对出现在石墨烯中出现的这种状态进行了阐述。但石墨烯是由轻元素碳组成的，它的自旋轨道相互作用较弱，于是人们又从元素周期表底部的重元素中去寻找这种量子自旋霍尔绝缘体（又叫二维拓扑绝缘体）材料
15、。最后，Bernevig，Hughes 和 zhang（简记为 BHZ）于 2006 年成功地选择了 HgCdTe 量子势阱结构 ，这个结构很像是一个把一层 HgTe 夹在两层 CdTe 之间的三明治，通过调节 HgTe 的厚度 d 可实现一般绝缘体和量子自旋霍尔绝缘体之间的转变。实验发现，正好是这个转变点。不久以后，Knig 等于 2007 年测定了由边界态引起的nmc3.0电子传导率,把量子化的传导率 与每个方向的边缘态联系起来。he/22006 年的夏天，3 组科学家独立发现量子自旋霍尔绝缘体在三维状态时具有自然的一般化的拓扑特性，并指出一个三维拓扑绝缘体可由 4 个拓扑不变量（ ）描述。3210;Moore and Balents 创造了“拓扑绝缘体”这个词来描述这种电子态。Fu，Kane and Mele 建立了块状拓扑有序与独特的传导表面态之间的联系。不久,预言了在一些真实的物质如 Bi1-xSbx，HgTe 和 -Zn 中存在这种状态。Hsieh 等于 2008 年报道了对第一种三维拓扑绝缘体 Bi1-xSbx 的实验发现过程。Hasan 等用角分辨光电子能谱（英文简写为 ARPES）的实验方法首先测定了它的表面能带图谱，实验通过改变
