北理工物理學(xué)院在“硅烯的拓?fù)湮镄浴毖芯糠矫嫒〉眯逻M(jìn)展
發(fā)布日期：2014-10-09 供稿：物理學(xué)院
編輯：科學(xué)技術(shù)研究院 謝非 閱讀次數(shù)： 硅烯是一種新穎的二維材料,，近年來引起了理論和實(shí)驗(yàn)物理研究上的廣泛關(guān)注，已成為新材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一,。硅烯具有類似石墨烯的六角蜂窩結(jié)構(gòu),，其低能激發(fā)也是無質(zhì)量的狄拉克費(fèi)米子，在石墨烯中發(fā)現(xiàn)的新奇量子效應(yīng),，大多數(shù)都可以在硅烯中找到相對(duì)應(yīng)的版本,。與石墨烯相比，硅烯更容易與當(dāng)代成熟的硅基半導(dǎo)體工藝兼容,，因而在未來的自旋電子學(xué)和納米電子學(xué)器件領(lǐng)域可能具有廣泛的潛在應(yīng)用前景,。
北理工物理學(xué)院姚裕貴研究組一直從事硅烯等類石墨烯材料中新奇物性的研究。2011年他們發(fā)現(xiàn)硅烯穩(wěn)定的起伏結(jié)構(gòu)（如圖1）使硅烯具備大小為1.55 meV的一階自旋-軌道耦合能隙和內(nèi)稟Rashba自旋-軌道耦合效應(yīng),，這是石墨烯材料不具備的優(yōu)勢(shì),。在此基礎(chǔ)上，該小組首次預(yù)言了硅烯是兩維拓?fù)浣^緣體,，可以在實(shí)驗(yàn)上更容易實(shí)現(xiàn)量子自旋霍爾效應(yīng),，并闡明了硅烯中具有大的自旋軌道能隙的物理機(jī)制[Phys. Rev. Lett. 107, 076802, 2011，Phys. Rev. B 84, 195430, 2011],。
圖1 硅烯的晶體結(jié)構(gòu)和能帶圖,。(a),(b)分別為側(cè)視圖和俯視圖。(c)定義了一個(gè)起伏角度,。(d) 能帶圖,。放大的部分為由于自旋軌道耦合作用在狄拉克點(diǎn)打開的能隙結(jié)構(gòu)。
在前期工作的基礎(chǔ)上,，該小組研究了雙層硅烯的物理性質(zhì),，重點(diǎn)關(guān)注其中的手性超導(dǎo)性質(zhì)。手性超導(dǎo)具有非平庸的拓?fù)湫再|(zhì),，將會(huì)帶來一系列奇異的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,，比如量子化的邊緣態(tài)，自發(fā)磁化,，以及量子化自旋和熱霍爾效應(yīng),，此外它還可能會(huì)在量子計(jì)算等應(yīng)用方向大有作為,。他們發(fā)現(xiàn)在雙層硅烯系統(tǒng)中可以實(shí)現(xiàn)d波的手性超導(dǎo)[Phys. Rev. Lett. 111, 066804, 2013]，同時(shí)超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度也可通過應(yīng)變調(diào)控,，為實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)手性超導(dǎo)提供了一個(gè)很好的材料平臺(tái),。
該小組和合作者最近在單層硅烯中引入破缺時(shí)間反演對(duì)稱性的交換場(chǎng)以及外在的Rashba勢(shì)，并考慮了硅烯中本征的自旋軌道耦合以及由于起伏結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的特有的內(nèi)稟的Rashba自旋軌道耦合,，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)全新的拓?fù)淞孔討B(tài)--谷極化的量子反?；魻栃?yīng)[Phys. Rev. Lett. 112, 106802, 2014]，即同時(shí)具有量子反?；魻栃?yīng)以及量子谷霍爾效應(yīng),，其拓?fù)潢悢?shù)C=-1，谷陳數(shù)Cv=3（圖2）,。同時(shí)給出了硅烯在內(nèi)稟Rashba tSO和外在Rashba tR二維參數(shù)空間的相圖（圖3）,。該量子態(tài)在設(shè)計(jì)低功耗甚至是無耗散的電子器件以及谷電子學(xué)中有著重要的應(yīng)用價(jià)值。
圖2 (a) 硅烯中谷極化的量子反?；魻栃?yīng)的Berry 曲率倒空間二維分布,。(b) 該Berry 曲率分布沿ky=0的高對(duì)稱線的分布。(c) 硅烯zigzag納米帶的能帶結(jié)構(gòu),。黑色的代表體態(tài),，彩色的表示邊界態(tài)，其中紅色和藍(lán)色表示相反的邊界,。(d) 谷極化的量子反?；魻栃?yīng)示意圖。
圖3 硅烯在內(nèi)稟Rashba tSO和外在Rashba tR二維參數(shù)空間的相圖,。點(diǎn)線代表相邊界,。相I和相III是陳數(shù)C=2的量子反常霍爾態(tài),，相II是陳數(shù)C=-1,，以及谷陳數(shù)Cv=3的谷極化量子反常霍爾態(tài),。
除了上述理論方面的研究,，姚裕貴課題組還與中科院物理所課題組合作在硅烯實(shí)驗(yàn)方面取得重要進(jìn)展，目前已在Ag（111）面上合成了硅烯[Phys. Rev. Lett. 109, 056804, 2012, Nano Letters, 12, 3507, 2012],。
姚裕貴課題組關(guān)于硅烯拓?fù)湮镄缘南盗醒芯抗ぷ?，已引發(fā)了這一領(lǐng)域的研究熱潮，如2011發(fā)表的理論文章已被分別引用337和162次(from Google Scholar ),。
姚裕貴教授自2011年底入校工作以來,，在科研方面取得了優(yōu)異成績(jī)，其中以通信作者發(fā)表了4篇Phys. Rev. Lett.以及1篇Nano. Lett文章，2012年獲得國家杰出青年科學(xué)基金資助,，2013年入選教育部長(zhǎng)江學(xué)者獎(jiǎng)勵(lì)計(jì)劃。
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