《基於CdTe/HgTe量子阱的二維拓撲絕緣體熱電輸運的理論研究》是依託中國科學院合肥物質科學研究院，由李龍龍擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：基於CdTe/HgTe量子阱的二維拓撲絕緣體熱電輸運的理論研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：李龍龍
- 依託單位：中國科學院合肥物質科學研究院
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
熱電材料的性能取決於其熱電優值。為了提高熱電優值，材料最好同時是聲子的絕緣體和電子的導體，但在常規材料中，這種要求往往是無法滿足的，因為聲子感受到的散射體同時也是電子的散射體。基於CdTe/HgTe量子阱的二維拓撲絕緣體是最近幾年來發現的一種新的量子態物質，具有新奇的電子結構，其體態是有能隙的絕緣態而邊緣態是無能隙的金屬態。本項目中，我們擬利用這一材料體系來設計新型的熱電材料，其理由在於邊緣態的完美導通使得電導不受非磁雜質的散射而聲導會受到極大的抑制，因此材料的熱電優值預期將得到極大的提高。我們將採用基於八帶Kane模型的約化哈密頓量方法和基於Boltzmann方程的熱電輸運理論來研究摻雜、溫度和量子結構參數對CdTe/HgTe二維拓撲絕緣體的熱電輸運性質的影響。通過這些研究我們將揭示這類材料系統的熱電輸運性質的一般規律，為設計可能的新型熱電器件提供相關的理論依據。
結題摘要
項目背景：近年來，拓撲物理與拓撲材料引起了研究人員的興趣和關注。拓撲絕緣體是一類重要的拓撲材料，它既不是金屬也不是絕緣體，而是同時具有絕緣的體態和金屬的邊緣態或表面態。由於其獨特的物理性質，如無耗散的自旋極化輸運特性，這類拓撲材料在自旋電子器件和量子計算方面具有潛在的套用前景。 研究內容：該項目從理論上研究了基於CdTe/HgTe量子阱結構的二維拓撲絕緣體的熱電輸運性質。同時，考慮到拓撲絕緣體具有奇特的電子結構，在二維拓撲絕緣體的熱電輸運性質的研究基礎上，進一步的拓展研究了三維拓撲絕緣體(Bi2Se3)及其納米結構的熱電、光電和聲電性質。 重要結果：(1) 開發了一套通用的、基於有效質量模型和玻爾茲曼方程的計算機模擬程式代碼，可用於計算拓撲絕緣體系統在溫度、電場、磁場、應變等實際因素調控下的電子結構以及熱電、光電等物理性質。(2) 研究發現，在摻有非磁性雜質的CdTe/HgTe二維拓撲絕緣體中，通過調節雜質濃度的大小，邊緣態和體態在熱電輸運過程中會表現出相互競爭和彼此壓制的行為。在雜質濃度較高時，邊緣態在熱電輸運過程中占主導地位，而體態和聲子的熱電輸運將受到極大的抑制。通過合理的材料參數設計，CdTe/HgTe二維拓撲絕緣體的熱電優值可以遠大於1。研究結果表明，CdTe/HgTe二維拓撲絕緣體具有獨特的熱電輸運性質，可以用來設計高效的熱電材料和器件。(3) 結合相關的實驗結果，深入研究了三維拓撲絕緣體(Bi2Se3)納米結構的熱電輸運性質。理論和實驗研究發現，隨著納米結構厚度的減小，系統的熱電輸運特性將發生從體態主導向表面態主導的轉變。進一步的理論研究表明，當表面態打開能隙時，三維拓撲絕緣體納米結構的熱電性能可以得到顯著的提高。(4) 關於拓撲絕緣體的光電和聲電等性質研究取得如下結果：(i) 利用無規相近似下的介電函式方法研究了光腔中拓撲絕緣體薄膜表面的等離極化激元性質；(ii) 利用費米黃金規則和能量平衡方程方法研究了拓撲絕緣體薄膜的表面聲波吸收特性；(iii) 利用有效質量理論和能量平衡方程方法研究了拓撲絕緣體薄膜的光電導性質。 科學意義：通過該項目的研究，認識並理解了二維/三維拓撲絕緣體的熱電、光電、聲電等重要物理性質。研究結果可為相關材料在熱電、光電、聲電等器件方面的套用提供一定的理論依據。
