[发明专利]一种拓扑绝缘材料的制备工艺

说明书

技术领域

本发明涉及一种拓扑绝缘材料的制备工艺。

背景技术

拓扑绝缘体是一种新的量子材料，它完全不同于传统的金属和绝缘体。由于时间反演对称性和强的自旋轨道耦合作用，这种材料在其表面或边缘展示金属特性而在其体内呈现绝缘性。重要的是，拓扑绝缘体具有两个独特的优势：一是它具有稳定的化学相易于合成；二是它有较大的体能隙。像Bi₂Se₃，它的体能隙超过了0.3eV（相当于3600K），远远在室温尺度以上，这意味着有可能在室温和低能耗情况下实现这类材料的应用。基于这两个独有特性，拓扑绝缘材料有希望在将来的自旋电子学器件和量子计算中获得重要的应用。因此，寻找大能隙、化学稳定性强的拓扑绝缘材料成为当前一个极具挑战性的工作。

随着三维拓扑绝缘体在几个二元化合物中发现，如Bi_1?xSb_x, Bi₂Se₃, Bi₂Te₃和Sb₂Te₃，最近，人们对拓扑绝缘材料的寻找延伸到了三元化合物。尤其是，许多具有18个价电子的三元半霍伊斯勒合金在适当应力作用下被预测是拓扑绝缘体。例如，Xiao等人在保持原胞体积不变的情况下，计算了半霍伊斯勒合金LaPtBi单轴应力作用的能带结构，并发现了拓扑绝缘相变；而Zhang等人在原胞完全弛豫的情况下，进一步系统的研究了晶格扭曲对半霍伊斯勒合金LaPtBi能带结构的影响，同样也发现了拓扑绝缘相变。

众所周知，闪锌矿结构的HgTe是拓扑非平庸的半金属（topologically nontrivial semimetal），但由于自旋轨道耦合的作用，在其能带结构中存在单个的能带反转现象。这里，我们需要指出的是：奇数个能带反转现象是拓扑绝缘相的必要条件。因此，闪锌矿结构的HgTe经过适当的方法有可能成为拓扑绝缘材料。为此，Fu和Dai等人理论上预测了三维的HgTe在单轴应力作用下成为了拓扑绝缘体。而且，Brüne等人也在实验上以CdTe为衬底外延生长出了70nm厚的HgTe并利用ARPES发现了拓扑绝缘表面态。不过，值得我们注意的是：原胞体积的变化对于材料的稳定性具有非常重要的影响，而上述两个理论报道都没有考虑这种因素。基于此，我们利用密度泛函理论，系统的研究了在原胞体积变化和不变化两种情况下晶格扭曲对闪锌矿结构的三维HgTe能带结构的影响。我们的计算结果显示：无论是对晶格压缩还是拉伸，都有一个非常好的拓扑绝缘相产生，其体能隙达到了0.3eV。这意味着三维的HgTe有可能在室温下应用于低能耗的自旋电子学器件中。

发明内容

本发明的技术方案如下：一种拓扑绝缘材料的制备工艺，包括以下步骤：

第一步：构建闪锌矿型的HgTe的晶体结构，并进行结构优化以获得平衡晶格常数a_eq；

第二步：在平衡晶格常数a_eq下，对HgTe的能带结构进行计算并加以分析，明确独特的能带反转现象从而证实闪锌矿结构的HgTe是拓扑非平庸的半金属；

第三步：定义晶格扭曲参数λ，考虑在ab平面内的晶格扭曲效应。需要指出的是，在ab平面内的晶格常数a=λ·a_eq确定后，允许不同λ值下的晶格常数c在原胞体积变化和不变两种情况下自由弛豫，来获得c的平衡值；

第四步：利用图示法给出在体积不变和体积变化两种情况下，不同晶格扭曲参数λ值下HgTe的能带结构，并加以分析讨论，证实经过适当的晶格扭曲拓扑非平庸的半金属HgTe可以转变成拓扑绝缘材料；

第五步：对于体积变化和体积不变两种情况下，利用列表法给出对应不同λ下的晶格常数c以便加以比较和分析；

第六步：定义拓扑绝缘带隙强度ΔE和能带反转强度ΔE'这两个概念，利用图示法给出体积变化和体积不变两种情况下，HgTe的总能量、拓扑绝缘带隙ΔE和能带反转强度ΔE'随晶格扭曲参数λ的变化关系并加以分析讨论。

有益效果：在原胞体积变化下的晶格扭曲更容易实现，因为此种情况具有更强的稳定性。更重要的是，在适当的晶格扭曲作用下，产生的拓扑绝缘带隙超过了0.3eV，这说明HgTe有可能被应用到室温条件下的自旋电子学器件中。

附图说明

图1  （a）闪锌矿型的HgTe的晶体结构; （b）没有晶格扭曲时HgTe的能带结构；