[发明专利]狄拉克半金属结构

说明书

本发明涉及狄拉克半金属、调制狄拉克半金属中的电荷承载密度和/或带隙的方法、包括狄拉克半金属层的器件以及在衬底上形成狄拉克半金属层的方法。

技术领域

本发明涉及狄拉克半金属、调制狄拉克半金属中的电荷承载密度和/或带隙的方法、包括狄拉克半金属层的器件以及在衬底上形成狄拉克半金属层的方法。

背景技术

拓扑狄拉克半金属(TDS)是最近提出的量子物质状态，其已经引起了人们的极大兴趣。TDS可以被认为是石墨烯的三维类似物，具有三维的线性电子色散。

关于TDS Na₃Bi的详细理论计算已经预测了常规的到拓扑的量子相变(QPT)随着膜厚度的增加而发生，并且QPT也可以通过电场(例如通过栅极电极(栅电极，gateelectrode))来调谐以实现拓扑晶体管。然而，这些计算和预测要么纯粹是理论上的，要么与Na₃Bi薄膜有关，Na₃Bi薄膜已经在传导衬底(诸如石墨烯和Si[111])上形成，这使得这些电子传输性质的表征、分析和利用变得困难。

经由电场控制载流子密度和电子传导是朝向(接近)基于TDS的电子器件的重要步骤。然而，迄今为止尚未报道包括狄拉克半金属层的有用结构。本发明解决了这个问题。

在本说明书中对任何现有技术的引用并不是承认或暗示本现有技术形成在任何法域内的普通常识的一部分，或者本现有技术可以合理地期望被本领域的技术人员理解、认为相关和/或与其他现有技术的部分结合在一起。

发明内容

在本发明的一个方面，提供有一种结构，包括：用于生成电场的装置，以及拓扑狄拉克半金属层，其中拓扑狄拉克半金属层与用于生成电场的装置非传导地分离，并且用于生成电场的装置被配置为将电场施加到拓扑狄拉克半金属层的至少一部分。通过非传导地分离，其意味着拓扑狄拉克半金属层不与用于生成电场的装置传导接触，并且例如可以通过绝缘体与用于生成电场的装置分离。

在本发明的另一方面，提供了一种用于更改拓扑狄拉克半金属中的电荷载流子密度的结构，该结构包括：导体，绝缘层；通过至少绝缘层与导体分离的拓扑狄拉克半金属层，以及接触拓扑狄拉克半金属层的至少一个电极，其中导体和至少一个电极被配置为将电场施加到拓扑狄拉克半金属层的至少一部分以更改拓扑狄拉克半金属层的电荷载流子密度。

发明人已经发现拓扑狄拉克半金属层的电荷载流子密度可以通过使拓扑狄拉克半金属层经受电场来改变。该效应可以有利地用于控制穿过拓扑狄拉克半金属层的电流，以使拓扑狄拉克半金属能够用作电子部件(诸如二极管或晶体管)中的结构。

将了解到的是，可以使用一些(一系列)不同的狄拉克半金属。例如，狄拉克半金属可选自：Cd₃As₂、Bi₂Se₃或A₃Bi的形式，其中A是碱金属，如Wang，Z.等人Dirac semimetal andtopological phase transitions in A3Bi(A＝Na,K,Rb)(在A₃Bi(A＝Na、K、Rb)中的狄拉克半金属和拓扑相变).Physical Review B，85(19)：195320(2012).doi：10.1103/PhysRevB.85.195320所讨论的。该文献的公开内容通过引用并入本文。优选地，A选自由Na、K和Rb组成的组。最优选地，A是Na。

在实施方式中，拓扑狄拉克半金属层是A₃Bi层。优选地，A₃Bi层的厚度为至少7nm。更优选地，拓扑狄拉克半金属层的厚度为至少10nm。甚至更优选地，拓扑狄拉克半金属层的厚度为至少15nm。最优选地，拓扑狄拉克半金属层的厚度为至少18nm。