摘要
近年来，二维拓扑半金属由于在费米能级附近存在着线性交叉的拓扑态，而被认为是实现超高速电子器件最具前景的材料之一。然而，拓扑半金属本征是无带隙的，因此无法作为场效应晶体管沟道材料得以应用。若设法打开带隙，则原有的线性交叉态必遭破坏，其母体材料自然退化为普通的半导体。因此无法实现期望的超高速载流子输运。为解决这一矛盾，人们提出了拓扑半导体的概念，即在价带的顶带与次顶带中或导带的底带与次底带中具有线性交叉态的新型半导体。但遗憾的是，现有的拓扑半导体不仅数量稀缺，而且存在着诸多的不足，如：节点附近线性色散带的有效能量窗口非常小、节点离费米能级太远、费米速度小等。鉴于此，本文以两类实验相关的二维自旋电子学材料为对象，探究了它们的拓扑半导体特性。具体研究内容及结果如下： (1)基于实验上已经合成的层状MoSi2N4体系，我们理论预测了一种本征反铁磁节线半导体材料——CrN2Al2O2单层(ML)。计算表明CrN2Al2O2ML具有良好的能量、力学、动力学和热力学稳定性。由磁结构分析可知，该材料的基态为反铁磁态，其磁序转变温度为TN=546K。电子结构计算表明，CrN2Al2O2ML为Dirac拓扑节线半导体——在费米能级附近，价带中的顶带与次顶带沿S→Y→S’路径完全简并，在布里渊区边界形成平行分布的拓扑节线。此外，在适当浓度空穴的掺杂下，价带顶部形成具有293.8meV干净能量窗口的强各向异性Dirac态，其最大费米速度约为1×105m/s。因此，CrN2Al2O2ML有望实现无质量Dirac费米子的开态各向异性传输。值得说明的是，CrN2Al2O2ML在大于3%的双轴应变下可转变为具有强自旋极化特征的室温铁磁体，且在费米能级上拥有单自旋的无色散平带，进而产生范霍夫奇点发散。 (2)已有研究表明，在强自旋轨道耦合作用下，Rashba效应也可在半导体中诱发线性色散的拓扑态。鉴于此，本文进一步以实验合成的二维JanusSPtSeML为研究对象，在探究其基础性质的基础上，重点研究了载流子掺杂及自旋轨道耦合作用下的电子结构和自旋电子学性质。电子性质计算表明，SPtSeML是一种具有间接带隙的半导体。由于强自旋轨道耦合作用的存在，其费米能级附近的价带顶部和导带底部均产生显著的Rashba自旋劈裂。有趣的是，在一定浓度空穴的掺杂下，Rashba效应可诱导出不同色散特点的Weyl态：i)准平带与线性色散共存的单锥Weyl态，ii)类石墨烯双锥Weyl态，iii)准Weyl节环态。此外，结合晶体的对称性和能带的轨道分析，我们构建了简化的两带哈密顿模型，很好地描述了Weyl节点附近低能态的色散特点。 总之，鉴于拓扑半导体的稀缺和存在的不足，本文结合最新实验进展，尝试探究了两种不同拓扑半导体的电子性质和自旋电子学特征。载流子掺杂情况下，它们在费米能级附近均可演化出相对理想的线性拓扑量子态，包括Dirac节线态和Weyl态。这些结果将进一步激发人们对拓扑半导体材料的相关实验和理论研究，同时也将为基于拓扑半导体的超高速电子器件开发提供理论指导和数据参考。
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