[發(fā)明專利]一種基于HgTe拓?fù)浣^緣相變的制備工藝

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201610023242.1
• 申請日: 2016-01-14
• 公開（公告）號: CN105653872A
• 公開（公告）日: 2016-06-08
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 韓紅培
• 申請（專利權(quán)）人: 許昌學(xué)院
• 主分類號: G06F19/00
• 分類號: G06F19/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種基于HgTe拓?fù)浣^緣相變的制備工藝。

背景技術(shù)

拓?fù)浣^緣體是一種新的量子材料，它完全不同于傳統(tǒng)的金屬和絕緣體。由 于時間反演對稱性和強的自旋軌道耦合作用，這種材料在其表面或邊緣展示金 屬特性而在其體內(nèi)呈現(xiàn)絕緣性。重要的是，拓?fù)浣^緣體具有兩個獨特的優(yōu)勢： 一是它具有穩(wěn)定的化學(xué)相易于合成；二是它有較大的體能隙。像Bi₂Se₃，它的體 能隙超過了0.3eV(相當(dāng)于3600K)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)在室溫尺度以上，這意味著有可能在 室溫和低能耗情況下實現(xiàn)這類材料的應(yīng)用?；谶@兩個獨有特性，拓?fù)浣^緣材 料有希望在將來的自旋電子學(xué)器件和量子計算中獲得重要的應(yīng)用。因此，尋找 大能隙、化學(xué)穩(wěn)定性強的拓?fù)浣^緣材料成為當(dāng)前一個極具挑戰(zhàn)性的工作。

隨著三維拓?fù)浣^緣體在幾個二元化合物中發(fā)現(xiàn)，如Bi_1-xSb_x,Bi₂Se₃,Bi₂Te₃和Sb₂Te₃，最近，人們對拓?fù)浣^緣材料的尋找延伸到了三元化合物。尤其是， 許多具有18個價電子的三元半霍伊斯勒合金在適當(dāng)應(yīng)力作用下被預(yù)測是拓?fù)浣^ 緣體。例如，Xiao等人在保持原胞體積不變的情況下，計算了半霍伊斯勒合金 LaPtBi單軸應(yīng)力作用的能帶結(jié)構(gòu)，并發(fā)現(xiàn)了拓?fù)浣^緣相變；而Zhang等人在原 胞完全弛豫的情況下，進(jìn)一步系統(tǒng)的研究了晶格扭曲對半霍伊斯勒合金LaPtBi 能帶結(jié)構(gòu)的影響，同樣也發(fā)現(xiàn)了拓?fù)浣^緣相變。

眾所周知，閃鋅礦結(jié)構(gòu)的HgTe是拓?fù)浞瞧接沟陌虢饘?topologically nontrivialsemimetal)，但由于自旋軌道耦合的作用，在其能帶結(jié)構(gòu)中存在單個的 能帶反轉(zhuǎn)現(xiàn)象。這里，我們需要指出的是：奇數(shù)個能帶反轉(zhuǎn)現(xiàn)象是拓?fù)浣^緣相 的必要條件。因此，閃鋅礦結(jié)構(gòu)的HgTe經(jīng)過適當(dāng)?shù)姆椒ㄓ锌赡艹蔀橥負(fù)浣^緣材 料。為此，F(xiàn)u和Dai等人理論上預(yù)測了三維的HgTe在單軸應(yīng)力作用下成為了 拓?fù)浣^緣體。而且，Brüne等人也在實驗上以CdTe為襯底外延生長出了70nm 厚的HgTe并利用ARPES發(fā)現(xiàn)了拓?fù)浣^緣表面態(tài)。不過，值得我們注意的是： 原胞體積的變化對于材料的穩(wěn)定性具有非常重要的影響，而上述兩個理論報道 都沒有考慮這種因素。基于此，我們利用密度泛函理論，系統(tǒng)的研究了在原胞 體積變化和不變化兩種情況下晶格扭曲對閃鋅礦結(jié)構(gòu)的三維HgTe能帶結(jié)構(gòu)的 影響。我們的計算結(jié)果顯示：無論是對晶格壓縮還是拉伸，都有一個非常好的 拓?fù)浣^緣相產(chǎn)生，其體能隙達(dá)到了0.2eV。這意味著三維的HgTe有可能在室溫 下應(yīng)用于低能耗的自旋電子學(xué)器件中。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：一種基于HgTe拓?fù)浣^緣相變的制備工藝，包括以下步 驟：

第一步：構(gòu)建閃鋅礦型的HgTe的晶體結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化以獲得平衡晶 格常數(shù)a_eq；

第二步：在平衡晶格常數(shù)a_eq下，對HgTe的能帶結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算并加以分析， 明確獨特的能帶反轉(zhuǎn)現(xiàn)象從而證實閃鋅礦結(jié)構(gòu)的HgTe是拓?fù)浞瞧接沟陌虢饘伲?

第三步：定義晶格扭曲參數(shù)λ，考慮在c方向上的晶格扭曲效應(yīng)。需要指出 的是，假定c方向上的晶格常數(shù)c＝λ·a_eq，允許不同λ值下的晶格常數(shù)a＝b在原 胞體積變化和不變兩種情況下自由弛豫，來獲得a和b的平衡值；

第四步：利用圖示法給出在體積不變和體積變化兩種情況下，不同晶格扭 曲參數(shù)λ值下HgTe的能帶結(jié)構(gòu)，并加以分析討論，證實經(jīng)過適當(dāng)?shù)木Ц衽で? 撲非平庸的半金屬HgTe可以轉(zhuǎn)變成拓?fù)浣^緣材料；

第五步：對于體積變化和體積不變兩種情況下，利用列表法給出對應(yīng)不同λ 下的晶格常數(shù)a和b的值以便加以比較和分析。

第六步：定義拓?fù)浣^緣帶隙強度ΔE的概念，利用圖示法給出體積變化和體 積不變兩種情況下，HgTe的總能量、拓?fù)浣^緣帶隙ΔE隨晶格扭曲參數(shù)λ的變 化關(guān)系并加以分析討論。

附圖說明

圖1(a)閃鋅礦型的HgTe的晶體結(jié)構(gòu)；(b)沒有晶格扭曲時HgTe的能 帶結(jié)構(gòu)；

圖2在體積不變情況下，不同晶格扭曲參數(shù)λ值下HgTe的能帶結(jié)構(gòu)；