Dirac费米子材料中的电子-声子相互作用

Graphene and the subsequent advent of a variety of topological materials build up the family of the so-called Dirac fermion materials. As the common characteristic of the family member, the conduction electron in these materials behaves like the Dirac fermion in the field of relativistic quantum mechanics. Just due to such an electronic characteristic, the Dirac fermion materials possess unusual electronic transport properties which are viewed as the physical origin to implement device functions of nanoelectronics or spintronics. It is absolutely necessary to investigate the physical properties of the Dirac fermion materials at room temperature, in order to promote their device applications. As the temperature increases, the influence of the electron-phonon interaction on the electronic characteristics of a realistic Dirac fermion material deserves a detailed study. .This proposal aims to study the electron-phonon interaction in Dirac fermion materials based on the first-principle calculations. Firstly, we improve the ab-initio calculation methods to incorporate the spin-orbit coupling into the electron-phonon interaction matrix elements. Then, with the calculated electron-phonon interaction matrix elements for some typical Dirac fermion materials, we proceed to the theoretical study about the band structure renormalization, the electronic transport properties and the critical temperature of superconductivity, arising from the electron-phonon interaction. These obtained theoretical results serve as the helpful information on the device application of the Dirac fermion materials at room temperature.

因其传导电子特性雷同于Dirac费米子，石墨烯和相继出现的各种拓扑材料可统称为Dirac费米子材料。正是源于其传导电子的相对论量子特征，Dirac费米子材料的电子输运性质非同一般，是实现新型电子器件功能的物理基础。为推动Dirac费米子材料走向实用，研究其室温物性势在必行。随温度升高，Dirac费米子材料的电子特性受电子-声子相互作用影响可能发生质变，针对具体材料开展相关研究十分必要。.本申请课题拟从第一原理计算层面研究真实的Dirac费米子材料的电子-声子相互作用。首先，我们将改进第一原理计算方法，将自旋-轨道耦合效应纳入电子-声子相互作用矩阵元的计算。然后，定量研究电子-声子相互作用对真实Dirac费米子材料能带结构的修正，分析发生由温度驱动的拓扑相变的可能性；研究受电子-声子散射支配的电子输运性质和超导相变温度等物性；为Dirac费米子材料的室温器件应用提供实用的理论信息。

本项目从第一原理计算层面研究了多种典型的真实Dirac费米子材料中的电子-声子相互作用及其相关物性。首先，我们完善了基于第一原理计算和Wannier插值相结合的理论方案，并按该理论方案建立了一套较完整的计算程序，兼顾计算精度和计算效率。这是本项目最关键的研究进展，为定量研究真实材料的电子-声子相互作用及相关物性提供了切实可行的计算手段。在此基础上，我们选择近期实验上已成功制备的多种Dirac费米子材料，定量研究了其中的电子-声子相互作用。这些材料包括X3和beta-12型硼烯、MoS2单层、金属Be、Cu2Si单层、Ti2N单层、铅烯及三层石墨烯结构等。我们定量研究了这些材料中的受电子-声子相互作用支配的本征电阻率、本征迁移率、热电性能及超导转变温度等物性，得到了一系列的研究成果，其中的重点内容如下：1）对于MoS2单层的空穴本征迁移率，我们的计算研究找到了以往理论计算和实验结果不符合的内在原因，发现谷间散射对MoS2单层中的空穴本征迁移率有重要的影响，而这一点在过去的相关理论研究中往往被忽略，因而理论预测的本征迁移率比实验值大一两个数量级。而我们的计算结果和实验测量的结果定量符合。2）我们发现在相关文献中已被广泛使用的双δ函数形式的电子-声子相互作用谱函数难以定量描述费米面附近出现态密度奇异的材料的本征电阻率，在这种情况下必须使用依赖于温度的包含Fermi Smearing效应的电子-声子相互作用谱函数。3）我们给出了ABA堆栈的三层石墨烯的本征电阻率比单层石墨烯要大的原因，即：超低频率的弯曲声子模式参与带间散射，导致了载流子在三层石墨烯中定向运动的有效抑制，而该声子模式受镜面反射对称性限制，在单层石墨烯中并不参与电子-声子散射。我们的这些研究结果可为实验上制备基于Dirac费米子材料的器件原型提供有价值的理论信息。