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1、. -2021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. 优选-. -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，在其外表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外表/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，
2、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严密相连，其根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，Majorana费米子. 优选-. -AbstractIn recent years, one of the important frontiers in condensed matter physics,
3、topological insulatorsare 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 topological properties are different. Under the action of spin-orbit coupling interaction, on the sur
4、face 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 symmetry and are not affected by the effect of the impurities anddisorder, which is described by the
5、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 time reversal invariant topological insulators, peculiarphysical properties of these materials e*is
6、t 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 fermion,they will have important applicationsin the future spintronics and quantum puting . Topologi
7、cal 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 achieve a variety of novel physical properties by using the topological property of the material of the elect
8、ronic band.Keywords:Topological insulator;quantum hall effect;quantum spin-Hall effect;Majorana fermion . 优选-. -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52.2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 拓扑绝缘体的构造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
9、 辞13. 优选-. -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，其电子构造会呈现非平庸的拓扑特性，这使得拓扑绝缘体的外表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，在其外表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外表/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
10、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。拓扑绝缘体的部是具有带隙的，就像一个普通的绝缘体，但在其边缘或外表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开展的重要推动力量，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
11、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根底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根底物理的多方面领域的重要作用。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
12、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展更加细致的划分，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，但是它的边界或外表总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，这类材料的体能带构造是典型的绝缘体类型，在费米能处存在着能隙，然而在这类材料的外表总是存在着穿越能隙的狄拉克型的电子态，因而导致了其外表总是金属性的，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，但是在电子长距
