关键词：
第一性原理
硅烯
铅烯
量子自旋霍尔效应
拓扑绝缘体
Z2拓扑不变量
摘要：
自石墨烯被发现以来,二维Ⅳ族材料的研究取得了飞跃式的进步,特别是超高的载流子传输速率使其在自旋电子材料中具有广泛应用,同时石墨烯的发现也推动了拓扑绝缘体的发展。本文主要通过密度泛函理论的第一性原理的方法,研究了Ⅳ主族二维材料的电子特性及其量子自旋霍尔效应。首先,我们研究了硅烯在单层Sc2CF2衬底上生长的纳米异质结的几何及电子特性。研究发现,硅烯与Sc2CF2薄膜是通过范德瓦尔斯相互作用形成的异质结,在该异质结中,硅烯打开了一个36-48meV的较大的带隙,并且还保留了其优良的线性狄拉克锥。此外,我们还通过计算应力以及层间距等因素对该异质结电子性质的影响发现,在适当的调节范围内,硅烯的带隙仍然保持着良好的线性狄拉克锥的特点。由此我们发现该异质结可以作为一个能够在室温下实现的,具有较高载流子迁移率的场效应晶体管的良好材料。拓扑绝缘体材料现在已经成为凝聚态物理领域内的非常热门的研究方向。拓扑绝缘体是一种新型的自旋材料,它具有一个绝缘的体态以及一对受到时间反演对称性保护的自旋方向相反的边缘态,因此在电子传输过程中存在较少的能量损耗。但是,现阶段拓扑绝缘体在试验应用上的发展具有很大的局限性,最大因素在于大带隙的拓扑绝缘体材料的缺乏。为了进一步寻找合适的拓扑绝缘体材料,我们研究了Ⅳ族元素的锡烯薄膜,基于第一性原理我们计算了甲基吸附的锡烯（SnCH3）,通过计算我们发现SnCH3的基态结构是一个拓扑平庸态,并不存在一对零能耗的导电通道,但是通过对SnCH3施加双轴应力之后,我们通过计算边缘态以及拓扑不变量Z2之后,发现该结构出现了一个拓扑平庸态到拓扑非平庸态的转变。此外,当我们进一步研究了SnCH3薄膜在BN衬底上生长的特性,通过计算发现其仍然保持了神奇的量子自旋霍尔绝缘体的性质。这将为拓扑绝缘体在实验上更好的制备提供一个良好的备选材料。接下来,我们利用密度泛函理论首次提出了铅烯这个六角蜂窝状的类石墨烯结构,并且通过用氢原子以及卤素原子对铅烯进行双面修饰,我们发现了一个带隙可以达到1.34eV的宽带隙拓扑绝缘体PbX（X=H,F,Cl,Br,I）,并且通过对面内双轴应力的调控我们发现,该材料对于在一定的应力范围内仍然保持了良好的量子自旋效应。同时,我们通过计算得到PbX的拓扑不变量Z2=1,之后我们又进一步计算了PbX的边缘态,发现该结构具有一对自旋相反的零带隙的边缘态,分别连接了体态的价带顶跟导带底,形成了一对无能量损耗的导电通道,进一步证明了其拓扑性质。之后我们又计算了PbX在BN衬底上生长的异质结结构,我们发现该结构仍然保持了拓扑性质。这项研究对拓扑绝缘体的发展起到了一定的推动作用。为了进一步拓展研究铅烯在实际应用上的可行性,我们又对铅烯进行了有机官能团的吸附研究。通过研究我们发现,氰基官能团对铅烯进行吸附钝化处理后,仍然保持着良好的拓扑性质,我们通过计算拓扑不变量Z2=1以及存在零带隙的螺旋边缘态等结果验证了其拓扑性质的存在。在实验制备上,我们提供了一个可行的方法,即通过用K4[Fe（CN）6]这种无毒的对环境无污染的氰化物试剂作为氰基的来源来制备PbCN,这样会导致在最终制备的样品中会出现卤素和氰基的混合态,因此我们进一步计算了在试验制备中可能出现的F0.5Pb（CN）0.5这个衍生物的性质,通过计算我们发现该结构同样具有拓扑性质,并且保持了宽带隙的良好性质。同时,我们还计算了一个7层的BaTe衬底生长PbCN的异质结结构,通过计算发现,衬底的存在并没有影响其拓扑性质。因此,该结构可以作为一个良好的拓扑绝缘体,可能作为以后试验制备的拓扑绝缘体的一个很好的材料。
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