二维层状异质结构电子特性的理论研究

Two-dimensional (2D) layered heterostructures are made by stacking different 2D crystals together by van der Waals bond. And it becomes a new research highlight in the field of condensed matter physics and electronic material science, due to their tunable lattice and electronic structures which are often different from those of the individual 2D crystals to construct them. In this project we will investigate two kinds of 2D layered heterostructures, one is made by stacking different 2D crystals on top of each other, and the other is by placing the 2D crystals on the surface of three-dimensional topological insulator. We will firstly determine the lattice structure of some layered heterostructures by ab initio calculation, further study their electronic structure and electronic topological properties. Subsequently, we will evaluate the transport property of the carriers near the Fermi level of these layered heterostructures. According to these electronic properties, we will study the electronic transport properties of various nanostructures based on 2D layered heterostructures, and propose some electronic device prototypes which can manipulate the electron spin or pseudo-spin degrees of freedom.

二维层状异质结构是二维晶格材料通过范德瓦尔斯键结合形成的晶体材料，它的电子性质有别于一般的二维层状晶体材料。同时，其晶格结构可以按照人为意愿构筑，这些独特的性质使其成为凝聚态物理及电子材料科学领域新的研究亮点。本课题拟对由不同二维层状材料叠加所形成的异质结构，及由二维层状材料与三维拓扑绝缘体表面结合而成的异质结构开展如下理论研究：确定层状异质结构的晶格结构；研究其电子结构和电子拓扑性质；评估这种结构中费米能级附近载流子的输运特征；根据这些电子特性，研究基于层状异质结构的各种纳米结构的电子输运特性，建立可操控电子自旋或赝自旋自由度的电子器件模型，为相关实验研究提供理论信息。

随着二维材料领域的快速发展，寻找新型二维材料，探究其特殊的电子特性，已成为近年来低维材料领域研究的热点。依托本项目，我们采用第一性原理计算、数值方法及相关辅助实验，研究了二维材料及其二维层状异质结构的电子特性。同时，我们还讨论了三维拓扑绝缘体及热电材料（如Bi2Se3、Bi2Te3等）在磁场及掺杂等条件下，其电子特性的变化。. 依托本课题，我们首先考察了双层石墨烯、氢化的六方BC2N、g-C2N及Cu2Si等二维材料。对双层石墨烯而言，引入自旋轨道相互作用的同时两种相边界处会出现新的拓扑螺旋边界态，而zigzag型条带边界处存在局域态，当这两种局域态同时存在于同一种结构时，拓扑螺旋边界态会转移到未加入自旋轨道作用的zigzag边界处。对于氢化的六方BC2N材料，其磁性可由外界双轴应变力调节，亦可通过调节应变，将材料由半导体、半金属及金属之间进行转换。另外，通过分析g-C2N与Cu2Si两种材料，我们发现其晶格常数非常匹配，可将两种材料堆栈而成纵向二维异质结构。研究结果表明，g-C2N为半导体而Cu2Si为金属型，二者通过非常弱的范德瓦尔斯力相互作用，结合后二者均保留了自身的物理特性。此时，g-C2N/Cu2Si异质结构中g-C2N表面转变为n型掺杂。通过加入垂直电场调节，g-C2N/Cu2Si异质结构由n型掺杂的肖特基接触转换为欧姆接触，此结论为g-C2N/Cu2Si异质结构在纳米电子学器件上的应用提供了良好的构建思路。. 与此同时，我们还研究了处在外磁场横截面为矩形的三维拓扑绝缘体量子线的电子结构，并讨论其表面态之间的相互作用及倾斜的磁场对体系电子性质的影响。我们发现，当磁场的倾角取适当值时，能带中会出现两个互相交叉的具有线性色散关系的能带，这两个能带对应局域在量子线顶角处的手征边缘态。此外，我们发现在掺杂铟的作用下，Bi2Te3的纹理会发现改变，可有效地散射不同频率的声子，通过铟掺杂晶格的热导率和电阻率都明显的降低。