拓扑绝缘体化合物的高压下结构和性质研究

论文摘要

利用原位高压同步辐射x射线衍射和高压下原位电性质测量，本论文进行了VVl族化合物拓扑绝缘体材料Bi2Te3、Sb2Te3和Bi2Se3高压下结构相变和性质研宄，同时也进行了类似结构化合物BiTe高压下的结构相变研宄。主要研宄内容包括：一、我们利用室温和低温高压同步辐射衍射，研宄了Bi2Te3在高压下的结构相变，得到了完整的相图，并且发现了其高压的第Iv相，得到其结构为体心立方固溶体合金相。通过常压相和第1v相的同步辐射谱ReitVeld精修得到了这两个结构的晶格参数和体积，并用状态方程对压力下的体积变化进行了拟合，得到常压相的弹性模量为35GPa，第Iv相的弹性模量为51GPa。低温下8K时常压相到10Gpa仍未发生相变，而在45K时8GPa下全部变为第1I相。相同压力下的低温的体弹模量比常温下稍小。对其高压下的电阻研宄，发现在载流子浓度较低的p型和n型样品中常压结构相均存在电子结构相变，p型样品从半导体相转变为半金属相，而n型样品从半导体相转变为金属相，两种载流子类型的样品在电子结构相变前后均超导。我们通过对高压结构的第一性原理计算研宄了这两个超导相的拓扑性，p型样品的两个超导相均保留拓扑性，而n型样品只有第一个超导相存在拓扑性，在第二个超导相中表面态被推入体态中，拓扑性消失。我们讨论了几个存在拓扑性的超导态可能为类似3He—B相的拓扑超导体。在在更高的压力下，我们证实了第1I相和第1II相的超导性，并发现第1v相的超导性。二、我们使用高压同步辐射的手段，发现了Sb2Te3在高压下的多个结构相变，并首次得到了Sb2Te3在高压下的温度压力相图。通过对其高压下电阻的研宄，发现Sb2Te3的常压相结构在6GPa附近有一个电子结构相变，半导体相在相变后成为半金属相，电子结构相变前后的两个电子相均超导，存在两个超导相。在更高的压力下电阻的研宄，我们发现Sb2Te3的所有相均超导，超导临界温度和电阻随压力的变化，也可以得到低温下的相关系，与从同步辐射得到的结果一致，从电性质方面证实了高压下的相图。三、研宄了Bi2Se3在高压下同步辐射衍射，发现Bi2Se3在12GPa处发生一个结构相变，从常压相结构转变到高压相，在更高的压力下直至30(冲a没有发生其它结构相变。对其常压相结构高压下的电阻研宄发现，常压相在5GPa到6．6GPa之间存在一个绝缘体一金属相变，不同温度下的相变压力不同，相变压力随温度的升高而增加。四、我们研宄了与Bi2Te3有相同元素组成和类似结构的化合物BiTe在高压下的结构相变，得到了其在室温下的高压相图，同时发现了其高压下的第1v相也为体心立方相，说明Bi2Te3在高压下体心立方相可以存在。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第l章 绪论
• 1.1 高压物理学及高压技术
• 1.1.1 高压物理学及其进展
• 1.1.2 高压的分类
• 1.1.3 静态高压装置
• 1.1.4 压力的标定方法
• 1.1.5 高压下的测试手段
• 1.1.6 材料在高压下的特性
• 1.2 拓扑绝缘体和拓扑超导体介绍
• 1.2.1 固体能带理论
• 1.2.2 拓扑绝缘体
• 1.2.3 拓扑能带理论
• 1.2.4 拓扑超导和超流
• 1.2.5 拓扑绝缘体实验进展
• 1.2.6 拓扑超导体实验研究
• 1.3 本论文的研宄内容和意义
• 第2章 实验设备和实验方法
• 2.1 引言
• 2.2 单晶样品的生长
• 2.3 x射线衍射技术
• 2.3.1 粉末x射线衍射物相分析
• 2.3.2 Rietveld结构精修方法
• 2.4 高压同步辐射x射线衍射
• 2.4.1 同步辐射光源介绍
• 2.4.2 高压同步辐射x射线衍射
• 2.5 高压原位电性质测量
• 2.6 其他所用到的实验方法和实验设备
• 2.6.1 多用途测量系统
• 2Te₃ 高压下的结构和性质研究'>第3章 Bi₂Te₃高压下的结构和性质研究
• 3.1 引言
• 2Te₃单晶样品的制备'>3.2 Bi₂Te₃单晶样品的制备
• 2Te₃在高压下的相变'>3.3 Bi₂Te₃在高压下的相变
• 3.3.1 室温下的高压原位同步辐射研究
• 3.3.2 低温下的高压原位同步辐射研究
• 2Te₃的高压电性研宄'>3.4 Bi₂Te₃的高压电性研宄
• 3.4.1 p型样品在高压下的电性研究
• 3.4.2 n型样品在高压下的电性研究
• 2Te₃常压结构相的在高压下的拓扑性'>3.5 Bi₂Te₃常压结构相的在高压下的拓扑性
• 3.5.1 p型样品的常压结构相在高压下的拓扑性
• 3.5.2 n型样品的常压结构相在高压下的拓扑性
• 3.6 本章小结
• 2Te₃在高压下的结构和性质研究'>第4章 Sb₂Te₃在高压下的结构和性质研究
• 4.1 引言
• 4.2 单晶样品的合成
• 2Te₃在高压下的同步辐射研宄'>4.3 Sb₂Te₃在高压下的同步辐射研宄
• 2Te₃室温高压同步辐射研究'>4.3.1 Sb₂Te₃室温高压同步辐射研究
• 2Te₃低温高压同步辐射研究'>4.3.2 Sb₂Te₃低温高压同步辐射研究
• 2Te₃在高压下的电阻和超导性研宄'>4.4 Sb₂Te₃在高压下的电阻和超导性研宄
• 4.4.1 常压结构相在高压下的电输运和超导性
• 4.4.2 高压相的电输运和超导性
• 4.5 本章小结
• 2Se₃在高压下的结构和电性质研究'>第5章 Bi₂Se₃在高压下的结构和电性质研究
• 5.1 引言
• 5.2 单晶样品的生长
• 5.3 高压下的同步辐射研宄
• 5.4 高压下的电阻研宄
• 5.5 本章小结
• 第6章 BiTe的高压相变研究
• 6.1 引言
• 6.2 单晶样品的合成
• 6.3 BiTe在高压下的相变研宄
• 6.4 本章小结
• 第7章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 己发表与待发表文章