层间偏压作用下双层范德瓦尔斯异质结的拓扑性质和电热输运

The van der Waals heterostructure, constructed by properly stacking different two-dimensional monolayer materials, is becoming a new hotspot after the upsurge of graphene and other monolayers in condensed matter field. By artificially assembling monolayer materials, we can achieve novel properties which are absent in individual layers. How to modulate the van der Waals heterostructures effectively and obtain superior physical properties are urgent issues, which are needed to be addressed currently. Although stacking manner is resultful to change the interaction between layers, it can not be adjusted continuously in experimental measurement to acquire expected results. In this project, based on theoretical derivations and numerical calculations, we aim to study the interlayer-bias modulated van der Waals heterostructures, to explore the microscopic process of charge transfer; to analyze the population on band structures resulting from charge redistribution; and to find new topological properties and special electrical or thermal transport. On the basis of investigating the physical mechanism between interlayer bias and van der Waals heterobilayers, this project can provide theoretical guidance for designing topologically protected high-performance, low-loss electrical and thermal quantum devices.

将不同的二维单层材料以一定的顺序堆砌在一起形成的范德瓦尔斯异质结，是继碳单层及其它单层之后凝聚态物理学领域的又一研究热点。通过将具有不同物理性质的两种二维材料人工组装起来，可以实现单个材料所不具备的新性质。如何有效地调节人工范德瓦尔斯异质结实现更加优异的物理特性是当前亟需解决的科学问题。虽然堆积方式能够有效地改变层与层之间的相互作用，但人们在实验测量时，很难实现堆积方式的连续变化，故无法达到预期的效果。本项目试图利用连续可控的层间偏压来改变双层范德瓦尔斯异质结的层间耦合，通过理论推导和数值模拟相结合的方法，深入探索偏压调控下异质结中电荷转移的微观过程；分析电荷再分布导致的系统能带上布居数的变化；进而发现新奇的拓扑性质以及由拓扑性质导致的特殊电热输运。在揭示层间偏压与范德瓦尔斯异质结层间耦合内在物理机制的基础上，本项目将为设计优于单层材料的拓扑型高性能、低损耗电学和热学量子器件提供理论依据。

低维纳米材料是当前凝聚态物理研究的重点对象，二维平面材料由于处在一维与三维之间的临界维度，更是被研究者们所重视。除了开发二维材料中 Dirac 电子在电学、光学等方面的器件应用之外，拓扑这一新概念的引入为二维材料在下一代电子器件中的潜在应用注入了新的血液。在本项目中，我们主要以偏压等外场作为主要的调控手段，研究了硅烯、石墨烯、硼烯等二维材料在单层或多层异质结下的能谱、拓扑相变、以及电热输运性质。具体内容包括：硅烯在偏压和反铁磁场调控下的拓扑性质和反常Nernst效应，硅烯等低翘曲二维材料在偏压和非共振光场调控下的Seebeck效应，外场调控下反铁磁体-石墨烯-反铁磁体三明治结构中的拓扑金属相，8-Pmmn硼烯超导异质结中光场调控的各项异性Andreev反射。我们不仅实现了自旋能谷电子束的分离，比较了多种材料的热电转换效率，还利用多种不同的拓扑相设计了电或磁调控的开关等装置。这些结果都为将来自旋和谷热电子学的应用以及热电器件的实现提供了理论基础。在本项目研究过程中，相关结果已发表在国际物理学杂志上，课题组的研究生也得到了良好的培养。