【拓扑材料分类研究文献综述3400字】

1拓扑材料分类研究文献综述 1 1 31.1拓扑绝缘体到凝聚态物质，最早可以追溯到1980年发现量子霍尔效应。研究人员在金属-氧化物-半导体界面中发现体内的电子是做回旋运动的，但是表面的电子是形成回路的6。并且电阻表现出阶梯状的形态，每个平台都对应一个整数。在每一个低的温度条件(1.5K)和很强的磁场条件(18T)下，这个霍尔电导σ是e²/h的整数拓扑的角度理解量子霍尔效应7]。他们将二维系统的电导积分的形式。由于环路积分是2π的整数倍，因此霍尔电导必须是e²/h整数倍。子阱的拓扑能隙起源于T点的能带反转，通过调节量子阱的宽度或调节外偏压可以实现此能带反转。在图1.3中给出了HgTe/CdTe量子阱的示意图和量子化的图1.3HgTe/CdTe量子阱和霍尔电导平台。2009年理论预测的三维拓扑绝缘体Bi₂Se3家族材料[11,掀起了研究拓扑绝缘体的热潮。该材料简单易得，不需要复杂的制备调控。如图1.4所示，Bi₂Se₃在2010年，理论预言将磁性元素掺杂到BiSe材料拓扑绝缘体薄膜里[13,可以实现量子反常霍尔效应，在2013年实验上首次观测到了这个现象14-16]。3拓扑绝缘体中受特殊对称性保护的电子态带来了令人激动的应用前景，提供带结构，其体态有带隙而表面态无带隙。在二维体系中，通过构造特殊的边界条件可以获得这样的边缘态。对于三维体系，也可以构造类似的无带隙的表面态，同时产生自旋-动量锁定等性质。以及实现用于热电，自旋电子学，信息处理的1.2拓扑半金属除了拓扑绝缘体，拓扑半金属也是一种新的量子拓扑物态，引起了人们的极大研究兴趣。根据对拓扑绝缘体的研究可知，拓扑不变量是定义在闭合曲面上的，例如动量空间布里渊区。然而金属的布里渊区不是封闭的，金属中有部分占据的能带，所以不能在整个布里渊区中定义拓扑。但是金属的费米面是闭合的，因此可以类似的定义拓扑金属态。拓扑半金属的块体能带是无间隙的，导带和价带仅在布里渊区的一些离散点相接触。拓扑半金属包含狄拉克半金属和外尔半金属[23,24]。这是通过体系的对称性来区分的，对称性不同，能带的简并度不同，交点的形态也不一样。狄拉克半金属中的每条能是二重简并的，所以交点是四重简并的点，可以看作是由两个拓扑电荷相反的外尔点组成的。和拓扑绝缘体表面或者边界上的狄拉克点一样，狄拉克半金属中的能带交叉点是零维的。Na₃Bi材料是第一性原理预测的稳定的狄拉克半金属材料，其狄拉克点受晶体对称性保护。该材料表面有非平庸的费米弧，当对称性被打破时，会诱导出不同的拓扑相变25]。这些材料是有相互关联的，在一定的外界条件下，可以进行相变转化。外尔半金属的能带也显示出围绕交叉点的线性色散关系，可以看作是石墨烯的三维版本。TaAs是一个理想的外尔半金属材料，该材料有表面费米弧，和手性磁传输性质I26。另外，还有第二类外尔半金属化合物，这类体系破坏了洛伦兹不变性。第二类外4尔半金属材料，已经在WTe₂,MoTe₂体系中被发现[27】。此外，一项最近的研究工作表明，一组狄拉克点在布里渊区中也可以形成一条环线，称为拓扑节点线半金属，其中导带和价带沿着节点线相交4,28,291。在图1.5里，我们给出了不同种类的拓扑半金属能带示意图3。在拓扑金属和拓扑半金属中，新的准粒子出现在受保护的带交叉点附近，其中一些粒子的特性超出了高能物理学中的基本费米子，并具有引人入胜的物理特性。该领域的大多数工作都集中在涉及重元素的材料上，因为目前的共识是强自旋轨道耦合会导致拓扑性质的发生[30,311。但人们也意识到，轻元素材料中也提供了类似的驱动作用。对于由轻元素(例如硼或碳)组成的材料，自旋轨道耦合作用很弱，是可以忽略的。因此，可以将电子自旋可以看作是虚拟的自由度，将出现的费米子视为“无自旋”的，这与具有强的自旋轨道耦合材料的“自旋”费米子有根本区别。关于碳材料研究已经有了一些相关的工作，揭示了几种三维碳同素异形体作为拓扑金属和拓扑半金属。这些材料中包含外尔费米子32,节线费米子33,34],三重简并费米子135,361等。最近，通过第一性原理确定一种独特的拓扑半金属，该半金属中呈现出多个相互连接的结线形成的节点网，并且在其表面上围绕费米能级附近具有两个耦合的鼓面状扁平带。节点网半金属态是在三维石墨烯网络结构中实现的，该结构可以通过将苯环插入bct-C4晶格的C-C键中得到或通过对(5,5)碳纳米管进行晶体修饰来构造37]。由于硼元素和碳有类似的一些特征，人们自然可以期望在三维硼同素异形体中寻找新型无自旋轨道费米子。目前，对该研究方向的探索才刚刚开始138,39。5graphenenetworks.PhysicalReviewB,2015,92[5]YanB,FelserC.TopologicalMaterials:WeMatterPhysics,2017,8(1):337-354.[6]KlitzingKV,DordaG,PepperM.NewMethFine-StructureConstantBasedonQuant[7]ThoulessDJ,KohmotoM,NightingaleMP,etTwo-DimensionalPeriodicPotential.PhysicalReviewLetters,1982,49(6):405-408.[8]BansilA,LinH,DasT.Colloquium:Topologicalbandtheory.ReviewsofModernPhysics,2016,88(2):021004.[9]KaneCL,MeleEJ.Qua2005,95(22):226801.PhaseTransitioninHgTeQuantumWells.Science,2006,314(58[11]ZhangH,LiuC-X,QiX-withasingleDiracconeo[12]ChenYL,AnalytisJThree-DimensionalTopologicalInsulator,Bi₂Te3.Science,2009,325([13]ZhangY,HeK,ChangC-Z,etal.Crossoverofthethree-dimensionaltopologicalinsulatorBi₂Se₃tothetwo-dimensionallimit.NaturePhysics,2010,6(8):584-588.[14]ChangC-Z,ZhangInsulatorwithCarrier-IndependentLong-RangeFerr25(7):1065-1070.TransitioninTopologicalInsulators.Science,2013,3[16]ChangC-Z,TangP,WangY-L,etatheDiracSurfaceStatesofBi₂Se3InducedbyAggregatedSubstitutionalCrAReviewLetters,2014,112(5):056801.[17]VaeziA,LiGatedMultilayerGraphene.PhysicalReviewX,2013,3(2):021018.[18]WanX,SavrasovSY.TurningabandinsulatorintoanCommunications,2014,5(1):4144.Bi₂Se₃filmsinducedbyad-wavehigh-temperaturesuperconductor.NaturePhysics,2013,[20]WangK,GrafD,PetrovicC.LargemagnetothermopowerandFermisurfacereconstructioninSb₂Te₂Se.PhysicalReviewB,2014,89(12):125202.[21]WangK,GrafD,LeiH,etal.Quantumtransportoftwo-dimensionalDiracfermionsinSrMnBi2.PhysicalReviewB,201[22]WangM-X,LiuC,XuJ-P,etal.TheCoexistenceofSu6TopologicalOrderintheBi₂Se₃ThinFilms.Science,2012,336(6077):52-55.SonDT,fWeylmetals.PhysicalReviewB,2013,88(10):10441PhysicalReviewB,2013,87(23):235306.[25]WangZ,SunY,CheinA₃Bi(A=Na,K,Rb).PhysicalReviewB,2012,85(19).[26]YangLX,LiuZK,compoundTaAs.NaturePhysics,2015,11(9):728-732.[27]DengK,WanG,DengP,etal.Experimentalobservationoftotype-IIWeylsemimetalMoTe2.NaturePhysics,2016,12(12):1[28]FengB,FuB,KasamatsuS,etal.ExperimentalrDiracnodallinefermionsinmonolayerCu₂Si.NatSemimetalStateinAntiperovskiteCu₃PdN.Physicalsurfacestatesintheelectronicstru[31]WangZ,WengH,WuQ,etal.Three-dtransportinCd₃As2.PhysicalReviewB,2013,88(12):125427.[32]ChenY,XieLoopsandPoints.NanoLetters,2015,15(10):69TunableProperties,FabricationsandApplications.AdvancedFunctionalMaterials,2017,27(19):[34]MullenK,UchoaB,GlatzhoferDT.LineofDiracNodesinHyperhoneycombLattices.PhysicalReviewLetters,2015,115(2):026403.[35]FengX,WuQ,ChengY,etal.MonoclinicC16:sp²-sp³hybsemimetalprotectedbyPT-symmetry.Carbon,2018,127:527-532.[36]ZhongC,C