二维拓扑绝缘体与半导体衬底的相互作用及边缘态所受的影响

Two-dimensional topological insulators (2D-TIs) have promising applications in nano-scaled spintronics devices and quantum computing, so their physical properties are of both fundamental and practical importances.Relative researches are hot topics in the fields of condensed matter physics and materials science in recent years. However, most studies on the 2D-TIs focus on the free-standing materials whose existence is rare in experimental conditions.Suituable substrates which can support the 2D-TIs yet are not detrimental to the topological insulator states are essential for further experimental studies and applications. The main aim of this program is to study the interactions between 2D-TIs and various semiconducting substrates, as well as the effects of these interactions on the edge states of 2D-TIs to ahi. Firstly, we will investigate the atomic structures when a 2D-TI and substrate are combined together, and analyze the binding energies to get some stable systems. Secondly, we will study the electronic properties of these stable systems, and develop corresponding tight-binding models to explore the electronic transport features.Thiredly, we will develop a series of methods to calculate the physical properties of 2D-TIs, such as the Z2 number which is the idenfication of quantum spin Hall effect and the Chern number which is the identification of quantum anomalous Hall effect.

二维拓扑绝缘体在纳米自旋电子器件和量子计算机中有巨大的应有前景，其物理性质的研究是当今一个重要的前沿领域。然而，目前研究的二维拓扑绝缘体材料，绝大部分都是在理想的孤立体系。寻找合适的衬底是对其进一步实验研究和投入应用的重要环节。本项目旨在研究二维拓扑绝缘体材料与各种半导体衬底之间的相互作用，以及此相互作用对二维拓扑绝缘体材料的边缘态的影响，从而找到既能支撑二维拓扑绝缘体材料又能保持其拓扑 绝缘性即边缘态的半导体衬底。我们将首先从二维拓扑绝缘体材料和衬底之间的界面结构入手，筛选出结构稳定的体系；然后考察这些体系电子结构，进一步构造紧束缚模型，考察其电输运性质。在此过程中，我们还将发展一些研究拓扑绝缘体的物性的方法，比如计算表征量子自旋霍尔效应的Z2数和量子反常霍尔效应的Chern 数。

拓扑绝缘体是近几年发现的一种全新的物质特性，在凝聚态物理学和材料科学各领域引起了极大关注。拓扑绝缘体的边界上会因为相对论效应形成量子化的带自旋手性的电流，即拓扑绝缘体特有边界态。这种边界态具有拓扑不变性，能忍受一定程度的扰动，电流输运过程中零能损耗，因此在下一代自旋电子器件和量子计算等方面，有着巨大的应用前景。目前包括我国在内的世界各国都在这一基础应用研究领域投入了巨大的人力和财力，展开密集和深入的研究。二维拓扑绝缘体除了其拓扑绝缘性外，还有一些显著优势，比如：其厚度仅一到几个原子层；拓扑电流只存在于两个边界，利于调控。然而，二维材料也难以获得。近年来有很多关于二维拓扑绝缘体材料的理论预测。但是，人们仅仅关注自由孤立的二维拓扑绝缘体材料，而没有考虑衬底效应。本项目通过密度泛函理论计算和紧束缚模型模拟，深入探索了获得有实用价值的二维拓扑绝缘体材料特别是在绝缘体衬底上的二维拓扑绝缘体材料的方法。我们首先从二维拓扑绝缘体材料和衬底之间的界面结构入手，筛选出结构稳定的体系；然后考察这些体系电子结构，进一步构造紧束缚模型，考察其电输运性质。在此过程中，我们还发展了一些研究拓扑绝缘体的物性的方法，比如计算表征量子自旋霍尔效应的Z2数和量子反常霍尔效应的Chern数。我们发现，有一系列的实验室难以制备的二维拓扑绝缘体材料（如单层的HgTe、GaBi、InBi、TlAs、TlSb、TlBi），能稳定生长在绝缘体材料Al2O3(0001)表面上，有利于通过相应的实验制备出来；重要的是，它们不但能保留拓扑绝缘性质，其拓扑绝缘带隙还得到了增加。另外，我们还发现通过掺杂的方法，可以将实验室容易制备的二维半导体材料（如MoS2、MoSe2、MoTe2、WTe2等）转变为二维拓扑绝缘体材料。这些研究结果，为寻找具有实用用价值（即既有好的拓扑绝缘性又容易制备）的二维拓扑绝缘体材料提供了新思路。本项目的研究结果主要以学术论文的形式在国际学术杂志上发表，并申请发明专利一项。