一種大規模製作量子自旋霍爾邊界態的方法
2024-04-14 01:46:05 1
1.本發明屬於電子自旋學和電子自旋器件領域，具體涉及在3d拓撲材料中實現高密度qsh邊界態的方法。
背景技術：
2.量子自旋霍爾(qsh)態是量子自旋霍爾絕緣體或二維(2d)拓撲絕緣體(ti)中的無耗散邊界態。qsh態中的載流子導電性不受邊界的幾何結構影響，且具有時間反演不變性。這些特點使qsh絕緣體在自旋量子計算的應用開發中有巨大的潛能。目前唯一可能的散射是反向散射。qsh態中導電電子的自旋會受磁缺陷而發生翻轉。目前理論和實驗都證明在hgte/cdt量子阱中可以觀察到qsh態，這也是近幾年的研究熱點。由於每個邊界只存在因自旋不同形成的兩個傳播方向的qsh態，無耗散的導電通道是很有限的。
3.為了提高導電功率，必須要提高的qsh態密度。一個可行的辦法就是增加更多的邊界，可以採用通過增加qsh絕緣體的層數來增加導電通道，同時也要求層間的相互作用較弱。3d弱拓撲絕緣體（wti）可由2d ti堆疊形成，由於層間的耦合使側表面形成各向異性。不過，只要層間相互作用足夠弱，也就是說可以增加層間的距離，拓撲表面態在側表面就會退簡併而形成獨立的如同單層那樣的邊界態，這樣就達到了高密度的拓撲邊界態。
4.zrte5晶體材料，它具有3d量子霍爾效應特徵。zrte5晶體隨著晶格矢長度變化，會發生3d強ti和弱ti的轉變。理論上已經被證明zrte5單層情況下是2d ti，且具有較大的帶隙。掃描隧道顯微鏡/光譜儀（stm/sts）實驗表明在塊材單晶zrte5的自然解理面(010)上階梯邊界存在邊界態，但由於表面階梯邊界較少，邊界的強度太弱，無法被arpes觀察到，邊界態的能帶色散和非平庸性質很難被證實。總之，對於zrte5晶體材料，目前還沒有arpes光譜實驗測量到類拓撲qsh邊界態的直接證據。
技術實現要素：
5.基於上述現有技術，本發明擬通過現有理論設想和計算模擬手段，設計一種大規模製作量子自旋邊界態的方法。本發明以zrte5作為材料構建出各向異性表面，產生具有高密度qsh邊界態的新型量子自旋器件。
6.為實現大規模製作量子自旋邊界態的發明目的，本發明提供的技術方案為：利用拓撲材料構建出各向異性的表面形貌，並對表面能帶的狄拉克錐進行調製使其產生準一維帶（q1d），實現高密度 qsh邊界態。具體的，本發明選取拓撲材料zrte5為模型構建材料，通過從側面切割zrte5，構造多1d凹槽的各向異性表面，產生q1d帶，該表面由vdw層之間的邊界交錯組成，使類qsh邊界態足夠密集，形成高密度qsh邊界態。且在本發明中通過arpes能直接觀察到並證實本發明實現了高密度qsh邊界態。
7.發明人提出上述技術方案，是基於下述思路。發明人通過計算表明zrte5晶體材料中近鄰間的vdw層之間邊界平整並不是能量最低的狀態，反而是不平的側表面具有更低的能量。基於這樣的特點，發明人認為側表面剝離後的形貌很有可能是不平的，且會產生一維
凹槽；這樣，側表面剝離後，伴隨著多個耦合較弱的邊界凹槽而產生qsh邊界態。與此同時，會有一條很清晰的線性色散和非平庸的準一維帶（q1d）可以通過arpes測量zrte5的剝離後側表面得到，該測量結果與單層zrte5的qsh邊界態的計算結果高度一致，這也就可以說明每個邊界之間的耦合是很弱的。也就是說，通過人為在表面構建一維形貌，可以在有限的空間內產生大量的qsh邊界態，且這種在拓撲系統中的高密度qsh邊界態將會本質上提高無耗散導電通道，對自旋電子器件的發展具有重要潛在價值。
8.具體的，實現本發明的大規模製作自旋霍爾邊界態的過程如下所述。
9.本發明以zrte5晶體材料為構建模型的拓撲材料。zrte5晶體是範德瓦爾斯（vdw）層狀材料，具有三維（3d）量子霍爾效應特徵，隨著晶格矢長度變化，會發生3d強ti和弱ti的轉變。
10.首先，步驟一，發明人通過獲取zrte5的晶格常數並優化後進行計算。所述獲取zrte5的晶格常數a=3.975
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, b=14.311
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, c=13.572
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，zrte5晶體是vdw層狀結構。
11.步驟二，將步驟1）獲取的zrte5進行電子局域函數（elf）函數和晶體軌道哈密爾頓種群投影（pcohp）計算，確定te原子鏈的斷鍵方式。
12.zrte5晶體材料的自然解離面為(010)面。對於單層的zrte5來說，q1d的zrte5沿著c軸z字形te原子鏈堆積。也就是說除了可以沿範德瓦爾斯（vdw）面（即a-c平面）剝離之外，a-b平面也可以作為剝離面。因此，這裡就會引出一個問題，就是當a-b面作為剝離面的時候，化學鍵是斷在哪裡的，剝離表面形態是怎樣的。
13.通過計算沿著a-b平面剝離後價鍵劈裂的表現細節，發明人發現，剝離時zr-te鍵會斷開而不是te-te鍵斷開，這與之前一些理論工作的假設有些不同。實驗上，側表面形成的q1d帶已經測得，它的自旋、軌道和部分未佔據態已經通過arpes測量得到，證明了它的拓撲非平庸的本質。不同於之前在a-b面計算工作，q1d帶與單層的邊界態表現一致，從實驗上證明單層zrte5確實是2d ti。
14.為了進一步搞清楚其物理本質，計算了zrete5的elf，將這種電子配對情況可視化。發現，在te原子間的電子重疊比zr和te原子間的更大。2d的剖面圖更直觀的顯示了te-te鍵更強，這符合zrte5結構形成過程（zrte3晶體插入到te-te鏈）。pcohp也可以用來表徵鍵的強弱。如預期那樣，zrte5體結構和單層結構的pcohp都同時證明了zr-te鍵比te-te鍵要弱。
15.因此，步驟2）所述獲取zrte5的te原子鏈的化學鍵斷鍵方式有兩種，一種是zr-te鍵斷開，一種是te-te鍵斷開。
16.步驟三，將步驟一獲取的zrte5構建表面，考慮其側表面形貌可能種類，確定最可能表面形貌，在本步驟中獲取zrte5的側表面形貌構型主要有兩種，一種是平的表面，另一種是形成多個1d凹槽的不平整表面。具體如下。
17.確定了zr-te鍵和te-te鍵的強弱關係之後，那麼a-b面剝離的表面上相鄰層之間有兩種配置情況，一種是平表面，另一種是不平的。通常認為剝離表面是平整的，每個vdw層的終端高度相同。但是pcohp的結果表明費米能級附近是反鍵的，說明在這種情況下相鄰邊界之間的電子是未配對的，也就是說平表面時相鄰終端的電子是互相排斥的。在另一種情況，即不平表面時，這種排斥現象消失。利用pcohp分析在這兩種表面下最近鄰te-te原子間的相互作用。從pcohp中可以得出，邊界階梯狀下的te-te成鍵強度比邊界平表面下更強。這
個結果說明zrte5的ab剝離面很可能不是一個平整表面，而是一個vdw終端的粗糙表面或是有各種臺階高度的表面，即包含多個1d凹槽的不平整表面也就是各向異性表面。
18.步驟四，將步驟三獲取zrte5的側表面形貌構型的表面進行能帶計算，研究其能帶表現特點。具體如下。
19.多個1d凹槽的不平整表面的計算模擬構型為沿c軸為7個單胞c軸長度，共有14個zr原子層，鄰近兩個vdw層交錯形成兩個對稱的上下表面，交錯長度為3個單胞c軸，真空層大於15
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。該模擬結構的晶格常數為a=7.426
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, b=13.572
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。計算vdw邊界不平整表面的的zrte5的能帶可以看到，在帶隙裡有一個狄拉克錐在費米能級附近，且沿著vdw方向無散射，形成一條q1d帶，這種拓撲非平庸態與計算單層zrte5時的qsh態相似，說明在表面形貌不平整情況下層間的耦合是極弱的，這一點也通過計算邊界態在實空間分布得到進一步證實。如果vdw邊界都是解耦的，那麼高密度qsh態就會出現，就會產生大量的qsh通道。掃描電子顯微鏡表面剝離後的a-b表面有很多階梯結構，這與理論預測是一致的。說明通過表面構建弱耦合邊界或是在體內構建來獲取高密度的qsh通道是一個可以通用的方法。
20.然而，這個表面高密度qsh態的存在還需要通過apres實驗證明，特別是態的拓撲非平庸特性。
21.為了證明高密度的qsh邊界態在zrte5中存在。實驗上研究了ab剝離面的能帶結構，用了各種能量範圍和偏振的光波入射。如預期那樣，a-b平面有足夠的強度被arpes觀察到，q1d能帶可以很清晰的在傳統剝離的vdw面上。用25 ev的極化光照射a-b面時，zrte5的能帶在費米能處附近沿著ka方向，可以清晰的分辨出有兩個空穴能帶。將入射光的能量變為89 ev, 更低的空穴能帶的形狀從「λ」變到了「m」，這說明這是體的價帶，然而上方的能帶散射依然保持，這說明沿著kz方向是不散射的。從能量色散曲線（edc）的瀑布圖也表明了q1d的能帶特徵。
22.計算上兩種類型的終端都考慮了。儘管te-te鍵比zr-te鍵更強。分別計算斷開te-te鍵和zr-te鍵這兩種情況。當斷開zr-te鍵時，布裡淵區γ點有一個更清晰的線性散射狄拉克能帶在體帶中。相反，在斷開te-te鍵則有更複雜的情況，在x點能帶交叉。這是很重要的能帶結構區別，可以用arpes實驗證明。實驗結果表面與zr-te鍵斷開相同。顯然，在真實情況下zr-te鍵更容易斷裂。同時這個單層zrte5的計算結果與實驗上塊材zrte5的a-b面實驗結果相符，證明1d的凹槽結構不是表面態更像是qsh邊界態。因為小的邊界與體積比，通常邊界態幾乎很少可以被arpes光譜觀察到。但是，只要有足夠多的邊界，正如這裡的a-b面，這樣強度的qsh就足夠被arpes觀察到。除此之外，觀察到拓撲邊界態在體帶中，這直接證明了單層zrte5是一個2d ti。這個在zrte5中發現的邊界態打開了發展自旋器件的思路，說明去2d/3d拓撲系統中找高密度qsh,只要1d邊界耦合弱。
23.發明人通過上述方法，獲得了一種具有高密度qsh邊界態的模型，所述模型構建材料為拓撲材料zrte5，通過從側面切割zrte5晶體材料、以z字形te原子鏈堆積方向（即a-b面）作為剝離面、zr-te鍵處斷裂、構造出具有多個1d凹槽的各向異性表面，形成所述qsh邊界態的模型；進一步地，所述模型為：沿zrte5晶體材料的c軸為7個單胞c軸長度，共有14個zr原子層，鄰近兩個vdw層交錯形成兩個對稱的上下表面，交錯長度為3個單胞c軸，真空層大於15
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；所述模型的結構晶格常數為a=7.426
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, b=13.572
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。
24.發明人在上述研究中以及本發明實施例中，利用vasp軟體包進行第一性原理計
算，用paw方法描述離子-電子間的相互作用。用gga-pbe描述交換泛函。平面波的截斷能為500 ev。能量收斂標準為1
×
10-6 ev，力的收斂標準為0.01ev/
å
。考慮了自旋軌道耦合（soc）。為了獲得最大局域wannier函數（mlwfs）和拓撲態，用了wannier90和wanniertools軟體包。為了模擬1d/2d的薄膜結構，採用了大於15
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的真空層。zrte5的單胞，2d和1d帶體系的k點分別是9
×9×
5和15
×5×
1和15
×1×
1的以γ為中心撒點方式。pcohp用來描述原子間的鍵的信息。
附圖說明
25.圖1為本發明實現大規模製作量子自旋霍爾邊界態的方法示意圖圖2為zrte5沿c軸的兩種可能斷鍵方式。
26.圖3為zrte5表面形貌的兩種可能性結構。
27.圖4為zrte5各向異性表面形貌下的能帶。
28.圖5為zrte5各向異性表面形貌下邊界態在實空間的電荷分布投影。
29.圖6為zrte5各向平整和不平整表面形貌下的能帶。
30.圖7為實驗測得zrte5的a-b面的能帶。
具體實施方式
31.以下結合附圖及具體實施例進一步說明本發明。但是，應當理解為，這些實例僅僅是用於更詳細具體地說明使用，而不應理解為用於以任何形式限制本發明。
32.發明人提出一種大規模製作量子霍爾邊界態的方法，如圖1為本發明製作量子霍爾邊界態的方法示意圖，利用拓撲材料構建出各向異性（anisotropic）的表面形貌（surface morphology），並對表面能帶的狄拉克錐（dirac state）進行調製使其產生準一維帶，實現高密度 qsh邊界態。
33.下面實施例中，通過計算及模擬等方法，以拓撲材料zrte5構建了各向異性表面，實現高密度qsh邊界態。具體的操作實施例如下。
34.實施例1（1）選取了拓撲材料zrte5構建各向異性表面，研究其化學鍵斷裂方式可能性。具體如下。
35.採用塊材zrte5晶體材料，它具有3d量子霍爾效應特徵。發明人獲取zrte5的晶格常數並優化後進行計算，獲取zrte5的晶格常數a=3.975
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, b=14.311
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, c=13.572
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，zrte5晶體是vdw層狀結構。如圖2，可以看到zrte5除了傳統的vdw面a-c面可以作為剝離面之外，z字形te原子鏈堆積方向（a-b面）也可以作為剝離面。將a-b面作為剝離後的表面，則要考慮化學鍵的斷裂位置。如圖2所示為zrte5沿c軸的兩種可能斷鍵方式，左右兩邊的斷鍵方式分別是zr-te鍵斷裂和te-te鍵斷裂。通常情況下會認為zr-te鍵更不容易斷裂，然而本發明基於zrte5晶體結構的elf和pcohp計算表明te-te鍵比zr-te鍵更強，zr-te鍵更容易發生斷裂。
36.（2）獲取可能性最大的斷鍵方式後，研究表面形貌可能性。具體如下。
37.基於步驟（1）的計算結果，剝離後的表面形貌可大致分為兩種，如圖3為zrte5表面形貌的兩種可能性結構，圖中左圖為平整表面，右圖為非平整表面。結合pcohp計算結果，分
析鄰近原子間相互作用可知，側表面更傾向於形成非平整表面，該理論結果也已經被實驗證實。
38.（3）獲取可能性最大的表面形貌後，研究其能帶特性。具體如下。
39.基於步驟（2）的可能的表面形貌，進行能帶計算，如圖4所示為zrte5各向異性表面形貌下的能帶。發現當形成各向異性表面形貌時，在布裡淵區γ點產生q1d帶。在帶隙裡有一個狄拉克錐在費米能級附近，且沿著vdw方向無散射，形成一條q1d帶，這種拓撲非平庸態與計算單層zrte5時的qsh態相似，說明在表面形貌不平整情況下層間的耦合是極弱的，這一點也通過計算邊界態在實空間分布得到進一步證實，具體如圖5所示為zrte5各向異性表面形貌下邊界態在實空間的電荷分布投影。
40.（4）另計算了平整表面下的能帶圖，兩種情況如圖6所示分別為zrte5各向平整和不平整表面形貌下的能帶。圖7為實驗測得zrte5的a-b面的能帶，通過該圖中實驗測得的結果比較，進一步說明真實情況下側表面是不平整的即各向異性的。
41.上述是對於本發明最佳實施例的詳細表述，但是很顯然，本發明技術領域的研究人員可以根據上述的步驟做出形式和內容方面非實質性的改變而不偏離本發明所實質保護的範圍，因此，本發明不局限於上述具體的形式和細節。