基于CdTe/HgTe量子阱的二维拓扑绝缘体热电输运的理论研究

The performance of thermoelectric materials depends on their figure of merit. To improve this value, the material system should be the insulator for phonons and the conductor for electrons simultaneously. However, such a requirement is always hard to be fulfilled in conventional materials because the scattering objects felt by phonons are also felt by electrons at the same time. Therefore, it's difficult to improve the figure of merit. In recent years, two-dimensional topological insulators based on CdTe/HgTe quantum wells are new states of quantum matter. They are characterized by the novel electronic structures with the gapped insulating bulk states and the gapless metallic edge states. In this proposal, we plan to employ such material system to design new thermoelectric materials. The reason relies on that the edge sates would be free from being scattered by non-magnetic impurities due to the perfectly conducting edge channels while the phonon conduction would be largely suppressed. As a result, it is anticipated that the figure of merit of such material will be greatly improved. We will use the reduced Hamiltonian method based on the eight-band Kane model and the thermoelectric transport theory derived from the Boltzmann equation to investigate the effects of doping, temperature and quantum structure parameters on thermoelectric transport properties of two-dimensional topological insulators based on CdTe/HgTe quantum wells. Through these investigations, we will reveal the universal laws of thermoelectric transport in such material system, and provide some related theoretical basis for their potential applications as new thermoelectric devices.

热电材料的性能取决于其热电优值。为了提高热电优值，材料最好同时是声子的绝缘体和电子的导体，但在常规材料中，这种要求往往是无法满足的，因为声子感受到的散射体同时也是电子的散射体。基于CdTe/HgTe量子阱的二维拓扑绝缘体是最近几年来发现的一种新的量子态物质，具有新奇的电子结构，其体态是有能隙的绝缘态而边缘态是无能隙的金属态。本项目中，我们拟利用这一材料体系来设计新型的热电材料，其理由在于边缘态的完美导通使得电导不受非磁杂质的散射而声导会受到极大的抑制，因此材料的热电优值预期将得到极大的提高。我们将采用基于八带Kane模型的约化哈密顿量方法和基于Boltzmann方程的热电输运理论来研究掺杂、温度和量子结构参数对CdTe/HgTe二维拓扑绝缘体的热电输运性质的影响。通过这些研究我们将揭示这类材料系统的热电输运性质的一般规律，为设计可能的新型热电器件提供相关的理论依据。

项目背景：近年来，拓扑物理与拓扑材料引起了研究人员的兴趣和关注。拓扑绝缘体是一类重要的拓扑材料，它既不是金属也不是绝缘体，而是同时具有绝缘的体态和金属的边缘态或表面态。由于其独特的物理性质，如无耗散的自旋极化输运特性，这类拓扑材料在自旋电子器件和量子计算方面具有潜在的应用前景。.研究内容：该项目从理论上研究了基于CdTe/HgTe量子阱结构的二维拓扑绝缘体的热电输运性质。同时，考虑到拓扑绝缘体具有奇特的电子结构，在二维拓扑绝缘体的热电输运性质的研究基础上，进一步的拓展研究了三维拓扑绝缘体(Bi2Se3)及其纳米结构的热电、光电和声电性质。.重要结果：(1) 开发了一套通用的、基于有效质量模型和玻尔兹曼方程的计算机模拟程序代码，可用于计算拓扑绝缘体系统在温度、电场、磁场、应变等实际因素调控下的电子结构以及热电、光电等物理性质。(2) 研究发现，在掺有非磁性杂质的CdTe/HgTe二维拓扑绝缘体中，通过调节杂质浓度的大小，边缘态和体态在热电输运过程中会表现出相互竞争和彼此压制的行为。在杂质浓度较高时，边缘态在热电输运过程中占主导地位，而体态和声子的热电输运将受到极大的抑制。通过合理的材料参数设计，CdTe/HgTe二维拓扑绝缘体的热电优值可以远大于1。研究结果表明，CdTe/HgTe二维拓扑绝缘体具有独特的热电输运性质，可以用来设计高效的热电材料和器件。(3) 结合相关的实验结果，深入研究了三维拓扑绝缘体(Bi2Se3)纳米结构的热电输运性质。理论和实验研究发现，随着纳米结构厚度的减小，系统的热电输运特性将发生从体态主导向表面态主导的转变。进一步的理论研究表明，当表面态打开能隙时，三维拓扑绝缘体纳米结构的热电性能可以得到显著的提高。(4) 关于拓扑绝缘体的光电和声电等性质研究取得如下结果：(i) 利用无规相近似下的介电函数方法研究了光腔中拓扑绝缘体薄膜表面的等离极化激元性质；(ii) 利用费米黄金规则和能量平衡方程方法研究了拓扑绝缘体薄膜的表面声波吸收特性；(iii) 利用有效质量理论和能量平衡方程方法研究了拓扑绝缘体薄膜的光电导性质。.科学意义：通过该项目的研究，认识并理解了二维/三维拓扑绝缘体的热电、光电、声电等重要物理性质。研究结果可为相关材料在热电、光电、声电等器件方面的应用提供一定的理论依据。