拓扑绝缘体中输运性质的研究

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1、作者姓名：指导教师：中国科学院大学UniVersi姆ofChineseAcademyofSciences博士学位论文拓扑绝缘体中输运性质的研究吴泉生方忠研究员物理所戴希研究员物理所学位类别：理学博士学科专业：研究所：理论物理中国科学院物理研究所2013年5月TransportpropertiesoftopoIogicaIinsuIatOrByQuan—ShengWuADissertationSubmittedtoTheUniVersityofChineseAcademyofSciencesInpartiaIfuIfi¨mentoftherequirementForthedeg

2、reeofDoctorofScienceInstjtuteofPhysicsMay，2013T0mybeaut⋯fianceeSN．ZhangandourparentsCopyright2013byQuan—ShengWuTypesettingbyX，生可_EXQS．wu摘要拓扑绝缘体是最近这，1年发展非常迅速的—个凝聚态分支。它的主要特点为材料内部是绝缘体．而表面则是无能隙的金属态。这种材料表面态的能带色散近似线性，由此可以引起很多新奇的物性。在拓扑绝缘体的发展带动下，各类具有拓扑性质的材料相继被提出，比如拓扑超导体，拓扑半金属等等，这些拓扑材料都具有新奇物性．本论文中，我

3、们主要讨论了拓扑绝缘体中的输运性质，包括光学输运性质和电输运性质．首先，我们研究了Bi。Ses系列三维拓扑绝缘体超薄薄膜材料在圆偏振光照射下的光生伏特效应。在BizSe。的上下表面，有两个简并的D．rac锥．把这个材料制成足够薄的薄膜材料时，上下两个表面之I阊的电子会发生遂穿，导致两个表面的Dirac电子耦合在一起，从而打开表面态的能隙。此时如果有圆偏振光照射在材料表面．电子就会从表面态的价带跃迁到导带上．从而对光产生吸收。在一些特定的条件下，这种光吸收会引起光电流的产生，形成光生伏特效应。我们研究表明，在这种薄膜材料中产生光生伏特效应的条件有三个，第一是入射光必须为圆偏振光

4、，而线偏振光和自然光都不能导致光电流；第二是入射光必须斜入射：第三是上下两个表面必须有电势差，也就是结构上不对称(SIA)。其次我们研究了二维拓扑绝缘体在非磁边界杂质环境下的输运性质。我们发现边界上的非磁杂质可以破坏边界态的平面波特征，使得它在动量空间中不再是线性Dirac锥。同时我们发现改变杂质强度，Dirac锥的行为表现为：在弱杂质强度下，D．rac锥能保持的很好j随着杂质强度的增加，Djrac锥会被破坏而消失，整个表面态在动量空间中变得很扩展；进—步增加杂质强度至远大于能带宽度大小，D．rac锥又会变得清晰。我们通过对输运性质的研究发现，尽管边界态出现了这种行为，但是量

5、子化的电导却不会发生变化，换言之，表面上的量子输运通道不会被表面非磁性杂质破坏。从而得到结论：不能单纯的从表面态Dirac锥消失这一行为来判断体系是否发生了拓扑转变，而必须通过研究材料的输运性质来取得更加翔实的证据。关键词：拓扑绝缘体，薄膜，光生伏特效应，输运性质AbstractRecentIVanewkindofmateriaIhasbeenpredictedandmeasured：topologIcalinsulators．whichdonotpermitcurrenttoflowthroughtheirinteriorbutdoa¨owmeta¨icconduction

6、alongtheirboundaries．TheconductjngboundarystatesareprotectedtopoIogica¨y，meaningthattheyaresafeguardedbythebuIk’sinsulatingpropertyfromanyfinite—sizeperturbationsasIongasamobiIitygapismaintainedbetweenthebuIkbands．DuetoitsspeciaIboundarystates，aIotofnoVeIpropertleshavebeenstudied．Inthisthes

7、is，wedlscussthetransportpropertiesoftopoIogIcaIjnsulator．FirstIy，westudythephotogaIvaniceffectonanultrathinfilmoftopologicaljnsulatorBi2Se3famiIy．wefjndthatthereisphotocurrentwhencircuIarIypoIarizedIiqhtshinesobIiqueIyontheuItrathinfiImifthereisanasymmet