一种大规模制作量子自旋霍尔边界态的方法技术

本发明专利技术提供了一种大规模制作量子自旋霍尔（QSH）边界态的方法：通过构建出拓扑材料的各向异性的表面形貌，对表面能带的狄拉克锥进行调制使其形成准一维带即Q1D带，从而产生高密度的QSH边界态。本发明专利技术利用拓扑材料ZrTe5进行结构模拟，其侧表面具有大量一维的凹槽型结构，其边界态在布里渊区中心表现为Q1D带，从而实现了高密度的QSH边界态。该发明专利技术给如何实现高密度的QSH边界态提供了一个新思路，推动了基于拓扑绝缘材料的电子自旋器件的开发和应用领域的发展。用领域的发展。用领域的发展。

【技术实现步骤摘要】
一种大规模制作量子自旋霍尔边界态的方法


[0001]本专利技术属于电子自旋学和电子自旋器件领域，具体涉及在3D拓扑材料中实现高密度QSH边界态的方法。

技术介绍

[0002]量子自旋霍尔(QSH)态是量子自旋霍尔绝缘体或二维(2D)拓扑绝缘体(TI)中的无耗散边界态。QSH态中的载流子导电性不受边界的几何结构影响，且具有时间反演不变性。这些特点使QSH绝缘体在自旋量子计算的应用开发中有巨大的潜能。目前唯一可能的散射是反向散射。QSH态中导电电子的自旋会受磁缺陷而发生翻转。目前理论和实验都证明在HgTe/CdT量子阱中可以观察到QSH态，这也是近几年的研究热点。由于每个边界只存在因自旋不同形成的两个传播方向的QSH态，无耗散的导电通道是很有限的。
[0003]为了提高导电功率，必须要提高的QSH态密度。一个可行的办法就是增加更多的边界，可以采用通过增加QSH绝缘体的层数来增加导电通道，同时也要求层间的相互作用较弱。3D弱拓扑绝缘体（WTI）可由2D TI堆叠形成，由于层间的耦合使侧表面形成各向异性。不过，只要层间相互作用足够弱，也就是说可以增加层间的距离，拓扑表面态在侧表面就会退简并而形成独立的如同单层那样的边界态，这样就达到了高密度的拓扑边界态。
[0004]ZrTe5晶体材料，它具有3D量子霍尔效应特征。ZrTe5晶体随着晶格矢长度变化，会发生3D强TI和弱TI的转变。理论上已经被证明ZrTe5单层情况下是2D TI，且具有较大的带隙。扫描隧道显微镜/光谱仪（STM/STS）实验表明在块材单晶ZrTe5的自然解理面(010)上阶梯边界存在边界态，但由于表面阶梯边界较少，边界的强度太弱，无法被ARPES观察到，边界态的能带色散和非平庸性质很难被证实。总之，对于ZrTe5晶体材料，目前还没有ARPES光谱实验测量到类拓扑QSH边界态的直接证据。

技术实现思路

[0005]基于上述现有技术，本专利技术拟通过现有理论设想和计算模拟手段，设计一种大规模制作量子自旋边界态的方法。本专利技术以ZrTe5作为材料构建出各向异性表面，产生具有高密度QSH边界态的新型量子自旋器件。
[0006]为实现大规模制作量子自旋边界态的专利技术目的，本专利技术提供的技术方案为：利用拓扑材料构建出各向异性的表面形貌，并对表面能带的狄拉克锥进行调制使其产生准一维带（Q1D），实现高密度 QSH边界态。具体的，本专利技术选取拓扑材料ZrTe5为模型构建材料，通过从侧面切割ZrTe5，构造多1D凹槽的各向异性表面，产生Q1D带，该表面由vdW层之间的边界交错组成，使类QSH边界态足够密集，形成高密度QSH边界态。且在本专利技术中通过ARPES能直接观察到并证实本专利技术实现了高密度QSH边界态。
[0007]专利技术人提出上述技术方案，是基于下述思路。专利技术人通过计算表明ZrTe5晶体材料中近邻间的vdW层之间边界平整并不是能量最低的状态，反而是不平的侧表面具有更低的能量。基于这样的特点，专利技术人认为侧表面剥离后的形貌很有可能是不平的，且会产生一维
凹槽；这样，侧表面剥离后，伴随着多个耦合较弱的边界凹槽而产生QSH边界态。与此同时，会有一条很清晰的线性色散和非平庸的准一维带（Q1D）可以通过ARPES测量ZrTe5的剥离后侧表面得到，该测量结果与单层ZrTe5的QSH边界态的计算结果高度一致，这也就可以说明每个边界之间的耦合是很弱的。也就是说，通过人为在表面构建一维形貌，可以在有限的空间内产生大量的QSH边界态，且这种在拓扑系统中的高密度QSH边界态将会本质上提高无耗散导电通道，对自旋电子器件的发展具有重要潜在价值。
[0008]具体的，实现本专利技术的大规模制作自旋霍尔边界态的过程如下所述。
[0009]本专利技术以ZrTe5晶体材料为构建模型的拓扑材料。ZrTe5晶体是范德瓦尔斯（vdW）层状材料，具有三维（3D）量子霍尔效应特征，随着晶格矢长度变化，会发生3D强TI和弱TI的转变。
[0010]首先，步骤一，专利技术人通过获取ZrTe5的晶格常数并优化后进行计算。所述获取ZrTe5的晶格常数a=3.975
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, b=14.311
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, c=13.572
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，ZrTe5晶体是vdW层状结构。
[0011]步骤二，将步骤1）获取的ZrTe5进行电子局域函数（ELF）函数和晶体轨道哈密尔顿种群投影（pCOHP）计算，确定Te原子链的断键方式。
[0012]ZrTe5晶体材料的自然解离面为(010)面。对于单层的ZrTe5来说，Q1D的ZrTe5沿着c轴Z字形Te原子链堆积。也就是说除了可以沿范德瓦尔斯（vdW）面（即a
‑
c平面）剥离之外，a
‑
b平面也可以作为剥离面。因此，这里就会引出一个问题，就是当a
‑
b面作为剥离面的时候，化学键是断在哪里的，剥离表面形态是怎样的。
[0013]通过计算沿着a
‑
b平面剥离后价键劈裂的表现细节，专利技术人发现，剥离时Zr
‑
Te键会断开而不是Te
‑
Te键断开，这与之前一些理论工作的假设有些不同。实验上，侧表面形成的Q1D带已经测得，它的自旋、轨道和部分未占据态已经通过ARPES测量得到，证明了它的拓扑非平庸的本质。不同于之前在a
‑
b面计算工作，Q1D带与单层的边界态表现一致，从实验上证明单层ZrTe5确实是2D TI。
[0014]为了进一步搞清楚其物理本质，计算了ZreTe5的ELF，将这种电子配对情况可视化。发现，在Te原子间的电子重叠比Zr和Te原子间的更大。2D的剖面图更直观的显示了Te
‑
Te键更强，这符合ZrTe5结构形成过程（ZrTe3晶体插入到Te
‑
Te链）。pCOHP也可以用来表征键的强弱。如预期那样，ZrTe5体结构和单层结构的pCOHP都同时证明了Zr
‑
Te键比Te
‑
Te键要弱。
[0015]因此，步骤2）所述获取ZrTe5的Te原子链的化学键断键方式有两种，一种是Zr
‑
Te键断开，一种是Te
‑
Te键断开。
[0016]步骤三，将步骤一获取的ZrTe5构建表面，考虑其侧表面形貌可能种类，确定最可能表面形貌，在本步骤中获取ZrTe5的侧表面形貌构型主要有两种，一种是平的表面，另一种是形成多个1D凹槽的不平整表面。具体如下。
[0017]确定了Zr
‑
Te键和Te
‑
Te键的强弱关系之后，那么a
‑
b面剥离的表面上相邻层之间有两种配置情况，一种是平表面，另一种是不平的。通常认为剥离表面是平整的，每个vdW层的终端高度相同。但是pCOHP的结果表明费米能级附近是反键的，说明在这种情况下相邻边界之间的电子是未配对的，也就是说平表面时相邻终端的电子是互相排斥的。在另一种情况，即不平表面时，这种排斥现本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有高密度QSH边界态的模型，其特征在于：所述模型的构建材料为拓扑材料ZrTe5，通过从侧面切割ZrTe5晶体材料，以Z字形Te原子链堆积方向、即a
‑
b面作为剥离面，Zr
‑
Te键处断裂，形成具有多个1D凹槽的各向异性表面，构成所述具有高密度QSH边界态的模型。2.根据权利要求1所述一种具有高密度QSH边界态的模型，其特征在于，所述模型为：沿ZrTe5晶体材料的c轴为7个单胞c轴长度，共有14个Zr原子层，邻近两个vdW层交错形成两个对称的上下表面，交错长度为3个单胞c轴，真空层大于15
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；所述模型的结构晶格常数为a=7.426
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, b=13.572
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。3.一种大规模制作量子自旋霍尔边界态的方法，其特征在于：利用拓扑材料构建出各向异性的表面形貌，对表面能带的狄拉克锥进行调制使其形成准一维带即Q1D带，实现高密度 QSH边界态。4.根据权利要求3所述一种大规模制作量子自旋霍尔边界态的方法，其特征在于，所述拓扑材料为ZrTe5晶体材料，为范德瓦尔斯层状材料，具有三维量子霍尔效应特征，随着晶格矢长度变化，会发生3D强TI和弱TI的转变。5.根据权利要求4所述一种大规模制作量子自旋霍尔边界态的方法，其特征在于：所述ZrTe5晶体材料的自然解离面为(010)面，对于单层的ZrTe5来说，ZrTe5沿着c轴Z字形Te原子链堆积，且 a
‑
b平面能作为剥离面。6.根据权利要求3
‑
5任一项所述一种大规模制作量子自旋霍尔边界态的方法，其特征在于，所述利用拓扑材料构建出各向异性的表面形貌，形成准一维带，包括如下步骤：获取ZrTe5的晶格常数并...

【专利技术属性】
技术研发人员：陆赟豪，管丹丹，钱冬，朱锋锋，华陈强，陶圣旦，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：