目次

第1章绪论1

1.1拓扑绝缘体.2

1.1.1霍尔效应和量子霍尔效应.2

1.1.2拓扑绝缘体简介.4

1.2三维拓扑绝缘体Bi2Se35

1.2.1Bi2Se3晶体结构5

1.2.2单晶体样品制备.7

1.3研究问题及手段.8

1.3.1研究问题.8

1.3.2拟采用的研究手段.8

第2章理论基础及计算方法9

2.1第一性原理.9

2.1密度泛函理论10

2.3Abinit软件介绍11

第3章厚度对Bi2Se3电子结构的影响.13

3.1计算过程与结果13

3.2数据分析与讨论16

3.3小结17

第4章单侧修饰对Bi2Se3电子结构的影响.18

4.1计算过程与结果18

4.2数据分析与讨论20

4.3小结21

结论22

致谢23

参考文献.24

图1-11

图1-22

图1-33

图1-46

图1-57

图2-19

图3-1.14

图3-2.14

图3-3.15

图3-4.15

图4-1.19

图4-2.19

图4-3.20
第 1 章  绪论 随着科学技术的发展，人们发现摩尔定律和制备工艺逐渐开始制约集成芯片的发展。单单靠改进技术已经很难突破瓶颈。芯片集成度升高，则发热增多，损耗就变大。人们迫切需要新的理论和新的材料来支撑半导体行业的发展。有科学家提出可以通过改变电子自旋来控制电子运动的方向进而得到理想的材料，这样电子在材料中各行其道，互不干扰，速度快，能耗少。而随着科学家的深入研究，一些符合要求的新材料逐渐被发现。根据张首晟教授提出的新构想，二维拓扑绝缘体逐渐走进了人们的视线。在二维基础上，人们又将此构想推广到三维。最终研究发现三维拓扑绝缘体是存在的，一个全新的科学领域从此开启。 按照物质不同的电子态，传统意义上的材料可以分为“绝缘体”和“金属”两大类。而拓扑绝缘体正是介于这两大类材料之间，是一种新的量子物态[1]。虽然其名称中带有“绝缘体”，但是和普通的绝缘体不同。传统材料的信息是通过电荷传递，但拓扑绝缘体则是通过电子的轨道和自旋[1]。拓扑绝缘体的体态是有能隙的绝缘体，而边界表面态则是无能隙金属。因为边界表面态的拓扑性质，它受到时间反演对称性的保护，性质稳定，不容易被缺陷或杂质破坏，如图1所示。拓扑绝缘体现今已成为凝聚态物理的研究热点，同时在材料科学领域也受到关注，在量子计算机等领域有着巨大的发展潜力。
1.1  拓扑绝缘体
1.1.1  霍尔效应和量子霍尔效应 1879 年美国物理学家霍尔在研究二维导体时发现了电磁输运现象，这就是著名的霍尔效应(Hall Effect)[2]。它是磁场电流致横电势效应。霍尔发现将一个允许电流通过的薄片材料垂直放置在磁场中，并沿着一个特定的方向接通电流，在材料的两端会出现电势差，这个现象被称为霍尔效应（Hall Effect）。霍尔效应是由于载流子(n型半导体中的载流子是带负电荷的电子，p型半导体中的载流子是带正电荷的空穴)  在外加磁场的作用下在垂直方向产生横向运动产生的[3]。载流子在磁场中运动时，正、负电子由于洛伦兹力作用输运到材料的两侧，电荷在两侧聚集积累，形成电场，其方向与电流方向垂直。当电子受到的洛伦兹力和电场的斥力达到一个平衡的状态时，材料的两侧就会形成一个稳定的电势差，即霍尔电压 VH[3]。经研究发现，霍尔电压 VH的大小既与磁感应强度 B成正比，又和电流强度 I成正比，且与材料的厚度 d成反比。它相应的霍尔电阻的表达式为: