论文部分内容阅读
石墨烯的发现引发了人们对二维材料在材料科学领域的研究热情,因为二维材料具有很多独特的物理性质。将不同的二维材料通过堆垛形成异质结可以把两种或多种优势进行互补。MoTe2是典型的过渡金属硫化物材料,Pb是传统的超导材料。在本文中,我们将单层MoTe2和单层Pb构成异质结,主要基于以下方面考虑,(1)MoTe2的晶格常数(3.52A)和Pb的晶格常数((111)方向3.50A)有着极小的晶格不匹配。(2)在异质结中中心反演对称性破缺,以及重元素Te和Pb的存在,导致单层MoTe2和单层的Pb组成的异质结会具有较强的不对称自旋轨道耦合效应。本文将通过基于密度泛函理论的第一性原理计算研究这种不对称的自旋轨道耦合效应对异质结电子结构及超导电性的影响。本文对两种超薄异质结的计算研究内容及分析如下:(1)研究了 Pb(1ML)/MoTe2(1ML)异质结的晶格动力学稳定性、自旋分辨的电-声子相互作用及超导性质。声子计算表明该超薄异质结具有动力学稳定性。应用Migdal-Eliashberg理论计算动量k分辨的电-声子相互作用,发现Γ点附近具有较大的平面内Rashba自旋劈裂的空穴带以及K点附近具有大的平面外Rashba自旋劈裂的电子带都显现出较强的电-声子耦合。此外,计算还表明电-声子相互作用呈现显著的各向异性。超导临界温度预估在4.0K-6.7K。(2)研究了 Pb(1ML)/MoTe2(1ML)/Pb(1ML)异质结的几何结构、自旋分辨的能带结构、电-声子相互作用及超导性质。对于该异质结,计算表明能量最稳定的堆垛顺序是/CABAC/。由于镜面对称性,在Pb(1ML)/MoTe2(1ML)异质结中Γ点附近出现的平面内Rashba自旋极化带在该对称性异质结中消失。与Pb/MoTe2异质结相同的是,由于K点和K’点之间的时间反演对称性,在K点和K’的平面外自旋极化是完全相反的。在K点处,两个电子型自旋劈裂带的大小分别为364meV和263meV。应用各向异性Migdal-Eliashberg理论计算得到的动量k分辨的电-声子耦合和超导能隙呈现显著的各向异性。超导临界温度预估在6.3K-10.0K。这一结果比利用各向同性Migdal-Eliashberg方程预测得到的超导转变温度略大。这是由于该异质结属于复杂费米面的低维系统,因而基于各向同性的超导理论得到的超导性质是不准确的。通过数值求解BCS(Bardenn-Cooper-Schrieffer)方程,我们发现Pb(1ML)/MoTe2(1ML)/Pb(1ML)异质结中超导能隙随温度的变化关系可以由BCS方程进行拟合,表明其超导机理是声子为媒介的BCS机制。但研究发现由于电-声子相互作用显著的各向异性,在不同的温度区间Δ0/KBTC比值不同。本文的研究表明两种异质结中较强的自旋轨道耦合效应及中心反演对称性破缺导致了较大的Rashba自旋劈裂,不对称的自旋轨道耦合效应有可能诱导出非常规的超导性质,表明两种异质结都有可能是潜在的拓扑超导体。