磁性摻雜拓?fù)浣^緣體Bi2Se3的理論研究（圖文詳解）
磁性拓?fù)浣^緣體介紹：
磁性拓?fù)浣^緣體是一種特殊類型的拓?fù)浣^緣體，其獨(dú)特之處在于同時(shí)具有拓?fù)湫再|(zhì)和磁性。它們具有獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出與傳統(tǒng)拓?fù)浣^緣體不同的物理性質(zhì)和潛在應(yīng)用。這種材料在能帶結(jié)構(gòu)中同時(shí)存在拓?fù)湫再|(zhì)和磁性，這使其在理論上和實(shí)驗(yàn)上都具有**的研究?jī)r(jià)值。
傳統(tǒng)的拓?fù)浣^緣體是指在其能帶結(jié)構(gòu)中存在拓?fù)洳蛔兞浚瑢?dǎo)致其邊界態(tài)具有非平凡的拓?fù)浔Ｗo(hù)性質(zhì)。然而，這種保護(hù)性質(zhì)在磁性材料中會(huì)受到破壞，因?yàn)榇判詴?huì)導(dǎo)致自旋自由度的耦合，進(jìn)而影響能帶結(jié)構(gòu)。因此，實(shí)現(xiàn)磁性拓?fù)浣^緣體的關(guān)鍵在于如何創(chuàng)造一種能在自旋自由度上產(chǎn)生磁性的材料，同時(shí)保持其拓?fù)湫再|(zhì)。
清華大學(xué)物理系教授、系主任王亞愚以《當(dāng)拓?fù)溆龅酱判浴窞轭}，為我們介紹了這種材料的特殊性質(zhì)以及科學(xué)家們?cè)谠擃I(lǐng)域所取得的進(jìn)展。他指出，磁性拓?fù)浣^緣體是實(shí)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)的關(guān)鍵因素之一，通過創(chuàng)造更加新奇的量子態(tài)，利用它的獨(dú)特性質(zhì)可以研制磁性材料、自旋材料等特殊材料。
此外，這種材料在實(shí)驗(yàn)上一直未能獲得，主要原因在于尋找理想的磁性拓?fù)浣^緣體非常困難。理想材料應(yīng)當(dāng)是內(nèi)稟的，即具有確定化學(xué)計(jì)量比，磁性元素有序排列，居里溫度之上是拓?fù)浣^緣體，居里溫度之下具有長(zhǎng)程鐵磁序。盡管之前有一些理論探索，但直到現(xiàn)在仍未能在實(shí)驗(yàn)上獲得這種理想的材料。
我們進(jìn)行系統(tǒng)地研究了Bi2Se3中的3d過渡金屬磁性原子（V, Cr, Mn 和Fe）摻雜，包括摻雜體系的材料穩(wěn)定性、電子結(jié)構(gòu)特性以及磁學(xué)性質(zhì)等。
(a) 2×2×1 Bi2Se3超胞原子摻雜結(jié)構(gòu)示意圖。
(b) V, Cr, Mn 和Fe摻雜Bi2Se3體系較定價(jià)態(tài)的形成能隨制備環(huán)境(硒化學(xué)勢(shì))的變化。為比較，虛線給出了Bi2Se3中較可能存在的本征缺陷（硒空位VSe1、BiSe1和SeBi反位）的數(shù)值。
V, Cr, Mn 和Fe摻雜Bi2Se3時(shí)不同穩(wěn)定價(jià)態(tài)的形成能隨體系費(fèi)米能級(jí)的變化。
(a)和(b)分別表示富鉍生長(zhǎng)和富硒生長(zhǎng)兩種不同的制備條件。
2×2×1 Bi2Se3超胞(a)考慮自旋軌道耦合下的能帶圖及其(b)布里淵區(qū)和高對(duì)稱點(diǎn)。(c)-(j) Cr和Fe摻雜Bi2Se3體系不同條件下的能帶結(jié)構(gòu)。
拓?fù)浣^緣體的特性有哪些？
拓?fù)浣^緣體是一種特殊的量子態(tài)，其內(nèi)部表現(xiàn)為電絕緣體，而其表面表現(xiàn)為電導(dǎo)體。這意味著電子只能沿著材料的表面移動(dòng)。以下是拓?fù)浣^緣體的主要特性：
拓?fù)湫颍和負(fù)浣^緣體在體帶能隙中具有螺旋形無能系邊緣態(tài)或表面態(tài)。這些量子態(tài)在時(shí)間反演不變的微擾下具有魯棒性，例如格點(diǎn)形變和非磁性雜質(zhì)。
電子能帶結(jié)構(gòu)：拓?fù)浣^緣體的電子能帶結(jié)構(gòu)和常規(guī)的絕緣體相似，其費(fèi)米能級(jí)位于導(dǎo)帶和價(jià)帶之間。
表面態(tài)：在拓?fù)浣^緣體的表面存在一些特殊的量子態(tài)，這些量子態(tài)位于塊體能帶結(jié)構(gòu)的帶隙之中，從而允許導(dǎo)電。這些量子態(tài)可以用類似拓?fù)鋵W(xué)中的虧格的整數(shù)表征，是拓?fù)湫虻囊粋€(gè)特例。
魯棒性：由于時(shí)間反演對(duì)稱性的存在，拓?fù)浣^緣體表面的量子態(tài)具有魯棒性，即不受局部微擾的影響。這是拓?fù)浣^緣體的一個(gè)重要特性。
無能系邊緣態(tài)：拓?fù)浣^緣體在體帶能隙中具有螺旋形無能系邊緣態(tài)，這些邊緣態(tài)是拓?fù)浔Ｗo(hù)的，不受時(shí)間反演對(duì)稱性的微擾影響。
維度和對(duì)稱性：由于維度和對(duì)稱性的某些組合，所有拓?fù)浣^緣體都至少具有粒子數(shù)守恒的U(1)對(duì)稱性，并且通常由于沒有磁場(chǎng)而具有時(shí)間反轉(zhuǎn)對(duì)稱性。
拓?fù)洳蛔兞浚和負(fù)浣^緣體的一個(gè)重要特性是它們可以用拓?fù)洳蛔兞縼矸诸悺＿@些不變量是在Z2或Z中取值的整數(shù)，可以用來描述絕緣體的拓?fù)湫再|(zhì)。
表面態(tài)的金屬性：在某些特定條件下，時(shí)間反轉(zhuǎn)對(duì)稱3D拓?fù)浣^緣體的表面態(tài)的自旋鎖定在與其動(dòng)量成直角的位置（自旋動(dòng)量鎖定）。在這種情況下，表面態(tài)具有高度金屬性。
類似物：雖然拓?fù)浣^緣體在理論上很早就被預(yù)測(cè)和描述，但直到最近幾年才在實(shí)驗(yàn)上被觀測(cè)到。此外，還存在光子、磁和聲學(xué)拓?fù)浣^緣體等類似物，這些類似物在理論和實(shí)驗(yàn)上都具有研究?jī)r(jià)值。
總的來說，拓?fù)浣^緣體是一種具有獨(dú)特特性的量子態(tài)，在理論研究和實(shí)驗(yàn)觀測(cè)方面都具有重要意義。
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產(chǎn)品供應(yīng)列表：
摻雜Mn的拓?fù)浣^緣體Bi2Se3的異質(zhì)結(jié)薄膜
拓?fù)浣^緣體Bi2Se3與鈣鈦礦氧化物La0.7Sr0.3MnO3復(fù)合結(jié)構(gòu)
拓?fù)浣^緣體/石墨烯復(fù)合柔性透明導(dǎo)電薄膜
VS2修飾TiO2納米線陣列(TVNAs) 硫化釩修飾二氧化鈦納米線陣列
碘化鎘-二維過渡金屬硫化物范德華垂直異質(zhì)結(jié)
基于硫化鎢(WS_2)大單晶的范德華垂直異質(zhì)結(jié)陣列
PA-6/云母復(fù)合材料與PA-6/改性云母復(fù)合材料
碳納米管/云母(MWCNTs /mica)復(fù)合導(dǎo)電粉
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