应力对二维拓扑绝缘体输运性质的影响

拓扑绝缘体是一类由自旋轨道耦合效应导致的新奇量子物质态,具有类似于绝缘体的能隙但存在无能隙的表面(边缘)态，能带具有线性色散和手性特征，其动量取向和自旋取向锁定，近年来引发了广泛的研究兴趣。本项目将研究HgTe/CdTe量子阱等二维拓扑绝缘体在应力作用下的电子结构、拓扑相变和量子输运及其相互关联等问题。具体研究内容包括：应力对无能隙边缘态电子结构的影响，普通半导体与拓扑绝缘体之间相互转換(拓扑相变)的应力调控；同时研究该体系自旋轨道耦合和边缘态的自旋劈裂与单轴应力、电场和量子限制之间的内在联系；并阐明应变对二维拓扑绝缘体量子输运的影响。相关的研究可能展现并解释一些与常规半导体异质结二维电子气体系不同的新的量子效应和现象，并可能为从原理上设计一些功能可调的新型自旋电子器件提供物理基础。

拓扑绝缘体是一类由自旋轨道耦合效应导致的新奇量子物质态,具有类似于绝缘体的能隙但存在无能隙的表面(边缘)态，能带具有线性色散和手性特征，其动量取向和自旋取向锁定，近年来引发了广泛的研究兴趣。在该项目中，我们主要研究了应力和电场对HgTe薄膜、HgTe/CdTe量子阱Hall Bar的电子结构、态密度分布、拓扑相变及输运性质。HgTe薄膜的厚度达到临界厚度2 nm时倒置的能带将反转，出现Dirac的边缘态，我们发现在应变的作用下，产生拓扑相变的临界厚度可变为10 nm，同时我们研究了 HgTe/CdTe量子阱Hall Bar在电场调控下的性质。由于受到Hall Bar两侧边缘态的耦合作用， Dirac的边缘态打开一个带隙，它随Hall Bar的宽度变窄而逐渐变大，并且边缘态将逐渐失去自旋与轨道锁定和自旋分辨的特性，我们发现在横向电场能引起拓扑相变并控制边缘态的性质。特别是边缘态的手性能被电场调控，带隙能够被电场移除，并恢复量子自旋霍尔效应。同时我们研究了该体系的电子输运性质，发现通过调节电场能够打开和关上该体系的自旋相关的输运。此外我们还比较了电场对HgTe/CdTe量子阱Hall Bar和Bi2Se3薄膜的调控，我们发现，电场都能使它们发生拓扑相变，但随电场的增大，Bi2Se3薄膜能发生多次拓扑相变，而HgTe/CdTe量子阱Hall Bar只发生一次。其次我们研究了由Bi2Se3薄膜构成的平面结的输运性质，发现自旋向下的电子在结中发生全反射，全反射角的大小可有电场调控，而自旋向上的电子则能完全透射。这些为新型低耗高速的自旋电子器件设计提供了理论基础。