一种拓扑绝缘材料的制备工艺的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种拓扑绝缘材料的制备工艺。
【背景技术】
[0002] 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Bi 2Se3，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。
[0003] 随着三维拓扑绝缘体在几个二元化合物中发现，如BiwSb^ Bi2Se3，Bi2TejP Sb2Te 3，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，进一步系统的研宄了晶格扭 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。
[0004] 众所周知，闪锌矿结构的HgTe是拓扑非平庸的半金属（topologically nontrivial semimetal )，但由于自旋轨道親合的作用，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，Brilne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，系统的研宄了在原胞体积 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】
[0005] 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aeq; 第二步：在平衡晶格常数aeq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； 第二步：定义晶格扭曲参数X，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=X ?a%确定后，允许不同X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A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A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AE和能带反转强度AE'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AE和能带反转强度 AE'随晶格扭曲参数X的变化关系并加以分析讨论。
[0006] 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 〇.3eV，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】
[0007] 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； 图2体积变化和体积不变两种情况下，HgTe的总能量（a)、拓扑绝缘带隙AE (b)和能 带反转强度AE'（c)随晶格扭曲参数X的变化关系； 图3在体积不变情况下，不同晶格扭曲参数X值下HgTe的能带结构； 图4在体积变化情况下，不同晶格扭曲参数X值下HgTe的能带结构； 图5本发明工艺流程图。
【具体实施方式】
[0008] 为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。 本说明书及其附图中给出了本发明的较佳的实施例，但是，本发明可以以许多不同的形式 来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明 的公开内容的理解更加透彻全面。
[0009] 需要说明的是，当某一元件固定于另一个元件，包括将该元件直接固定于该另一 个元件，或者将该元件通过至少一个居中的其它元件固定于该另一个元件。当一个元件连 接另一个元件，包括将该元件直接连接到该另一个元件，或者将该元件通过至少一个居中 的其它元件连接到该另一个元件。
[0010] 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aeq; 第二步：在平衡晶格常数aeq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； 第二步：定义晶格扭曲参数X，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=X ?a%确定后，允许不同X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A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A下的晶格 常数C以便加以比较和分； 第六步：定义拓扑绝缘带隙强度AE和能带反转强度AE'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AE和能带反转强度 AE'随晶格扭曲参数X的变化关系并加以分析讨论。
[0011] 利用基于第一性原理的全势线性缀加平面波方法的材料模拟软件WIEN2K来完成 的。采用GGA-PBE形式的交换关联泛函并且考虑相对论效应，同时，也考虑了自旋轨道耦 合的相互作用。Hg和Te原子的muffin-tin半径均设置为2. 5a. u.，与截断能有关的参数 取为8. 5,第一布里渊区积分设置为15X 15X 15,自洽循环的收敛准则为10 _5 Ry/f. u. 〇
[0012] HgTe的电子结构 闪锌矿型的HgTe的晶体结构如图1 (a)所示。利用上述计算参数经过原胞体积的优 化，我们发现，HgTe的平衡晶格常数aeq=6. 41 A，比实验上报道的值6. 46 A略小。我们采取 优化的晶格常数6. 41 A对HgTe的能带结构进行了计算，如图1 (b)所示。从能带