二维材料的新型结构相和其边缘态的量子调控的理论研究

Topological insulator, as a new material with insulating bulk and conducting edge, presents a variety of interesting quantum physics properties and has a wide range of potential applications in the fields of spin electronics and quantum computing. Seeking new topological insulators, especially the topological materials with large band gap and the effective engineering of the edge states, is a hot and important research topic in this field. Recently, the new developed two-dimensional (2D) materials, may be good candidates due to their large buck band gap and versatile edge structures and properties under strain or by applying external electronic field. Hence in this project, we proposed to seek the new 2D structure with the topology phase, and to control their quantum edge states by strain and electric filed. The project intends to perform a wide range of structure searching on two-dimensional topological insulators (mainly in the W/Mo-S2/Se2/Te2, Ge/Si-S/Se/Te, SbAs et al.). To obtain a stable two-dimensional topological insulator with large band gap, we modulate the energy level controlled by the external means such as the heterostructures, functionalization and electric field, and design the porotypes of diode and transistor device unit. Through this project, we can predict a series of 2D topological insulator with versatile electronic properties, and provide effectively theoretical results for quantum controlling of the edge states. These will significantly promote the experimental and application studies on two-dimensional topology materials.

拓扑绝缘体是体态绝缘而边缘态导电的一种新物质相，其呈现出各种有趣的量子物理特性，而且在自旋电子学和量子计算等领域具有广泛的应用前景。寻找新型的拓扑绝缘体，特别是大带隙的拓扑材料以及对其边缘态的有效调控，一直是拓扑研究的热点。不断涌现的二维新材料为此类研究提供了机遇，我们将基于二维材料的结构多样性，寻求其具有拓扑特性的新型结构相，并考察这些结构相下边缘态的量子可控性。本项目拟对二维材料(主要W/Mo-S2/Se2/Te2, Ge/Si-S/Se/Te, SbAs等)的新型结构相开展大范围的结构搜索研究，并通过应力、异质结、功能化和电场等外部手段调制其能级结构，以获得稳定、大带隙的二维拓扑绝缘体材料，并进行二极管与晶体管等器件单元的原型设计。我们希望本项目的实施能够为二维拓扑绝缘体的物性研究提供更多可选的材料体系，为边缘态的量子调控提供理论依据，切实推动基于二维拓扑材料的实验和应用研究。

二维拓扑绝缘体具有超高比表面积、能带结构的可调控性、能显著降低体态载流子的比例和易于制备高结晶质量的单晶样品等优点成为了凝聚态物理学家、材料学家及化学家关注的焦点。然而，能隙小和边缘态的性质可控性差等因素，限制了二维拓扑绝缘体的实际应用。因此，本项目为了解决以上关键问题，我们进行了一系列的研究工作，目前已经取得的主要研究进展和研究成果如下： .1，通过第一性原理分子动力学模拟预测到AsSb薄层材料在稳定的β相结构下具有比较强的自旋轨道耦合作用，在应力的作用下能够实现200meV的带隙关闭再打开。Z2拓扑不变量计算也得到β-SbAs是Z2=1的拓扑绝缘体材料。该项工作已发表在Phys. Rev. B.上.2，发现了锑烯SW缺陷，拥有非凡的Z2拓扑不变量和拓扑边缘状态，不受缺陷性质的影响。丰富了这个领域具有应用前景的材料，突出了二维半导体作为超薄材料在未来柔性电子和光电器件领域的应用潜力。在国际著名期刊Phys. Rev. Mater.上发表了。.3，发现功能化的二维MB(M=As, Sb 和 Bi)材料在适中的应变作用下为自旋谷耦合狄拉克半金属，并在平面内电场作用下将产生全新的“狄拉克自旋谷霍尔效应”。这对下一代超高速、超低能耗电子器件的发展具有重要意义。相关的研究工作分别发表在J. Alloy. Compd.上。..本项目以理论基础研究为主，成果主要以论文形式体现。在新型结构相的搜索下，发现了新型的二维半导体作为超薄材料在未来柔性电子和光电器件领域的应用潜力。此外，新型的薄层材料在量子调控的机制下发现了自旋谷耦合狄拉克半金属，有望实现无质量、无耗散的量子传输，这对下一代超高速、超低能耗电子器件的发展具有重要意义，有较大潜在的商业应用价值。