[发明专利]基于阵列型量子自旋霍尔效应绝缘体材料的暂态电压检测方法

说明书

本发明涉及一种基于阵列型量子自旋霍尔效应绝缘体材料的暂态电压检测方法。本发明属于新型电子材料领域，提供了一种暂态电压检测方法，可以实现在电子响应时间精度内对瞬态电压进行测量。主要方案包括，步骤1：使用第一性原理计算确定具有不同带隙的量子自旋霍尔效应绝缘体材料，同时选择与之晶格匹配的普通层状绝缘体材料，计算能带结构并分析其费米能级附近电子和空穴的行为；步骤2：通过层间范德华作用将计算获得的具有不同带隙的量子自旋霍尔效应绝缘体材料与普通绝缘体材料进行晶格匹配，搭建成按顺序堆叠的多层材料单元，同时通过计算多层材料单元声子色散来检测其动力学稳定性；步骤3：将稳定的多层材料单元组合成阵列式传感器，采用化学气相沉积法进行制备，并对传感器阵列的性能参数进行测试。

技术领域

本发明属于新型电子材料领域，具体涉及一种基于阵列型量子自旋霍尔效应绝缘体材料的暂态电压检测方法。

背景技术

层状范德华力新材料由于其优异的物理性能和多晶型层状结构，它们被认为是下一代半导体的候选材料之一。随着低维纳米材料、纳米级量子电子学等领域的快速发展，将层状范德华力新材料集成到现有的硅电子技术中成为研究热潮。通过对具有不同能带结构的纳米材料进行的一系列基础研究，在低维材料中发现了很多新颖的性质。其中具有量子自旋霍尔效应的范德华力纳米绝缘材料，其边缘状态在拓扑上受到保护，表面会产生特殊的边缘态，使得该绝缘体的边缘可以导电。这种边缘态电流的方向与电子的自旋方向完全锁定，若能对该类材料内部的电子进行操控，可以使其能量耗散达到很低水平。

外加电场是调控材料的常用手段，这对一些具有量子自旋霍尔效应绝缘体材料同样适用。在具有量子自旋霍尔效应的范德华力纳米材料基础上，材料还应具有性质：费米能级附近的能带轨道很容易区分，比如用不同元素的能级分布在费米能级不同侧(导带和价带)，这样可以用电场实现对材料进行简便操控。基本原理为：在拓扑状态下，量子自旋霍尔效应绝缘体材料边缘态可以实现“导通”状态；当外加垂直于纳米材料平面的电场时，可以破坏材料具有的反演对称性，在费米能级附近引入Rashba分裂。随着电场大小的变化，材料的能隙可以进行关闭与导通，引起材料的拓扑相变，导致材料的边缘态被破坏，此时的量子自旋霍尔效应绝缘体材料变成普通的绝缘体材料。另外，具有不同能隙的量子自旋霍尔效应绝缘体实现“导通”和“关闭”的电场大小不同。在此基础上，将这种单元集成为一个阵列，电压控制的拓扑相变可以得到不同数量的“导通”和“关闭”通道，从而实现对不同大小的电场进行检测。

另一方面，低维材料的相选择合成也是目前研究的热点。在现有的材料制备技术中，可以定向合成需要的材料以及指定的结构，其中化学气相沉积是常用的一种制备传感器。近十几年，化学气相沉积法在高纯功能材料领域发挥着重要作用，通过气相掺杂的淀积可以实现对材料的物理性能进行精确的控制。

发明内容

本发明基于电场控制量子自旋霍尔效应绝缘体材料的拓扑相变实现操控内部电子，提供了一种暂态电压检测方法，可以实现在电子响应时间精度内对瞬态电压进行测量。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：基于阵列型量子自旋霍尔效应绝缘体材料的暂态电压检测方法，包括以下步骤：

S1.使用第一性原理计算确定具有不同带隙的量子自旋霍尔效应绝缘体材料及其结构，并分析费米能级附近电子和空穴的行为。在此基础上，筛选出具有以下性质的量子自旋霍尔效应绝缘体材料：量子自旋霍尔效应绝缘体材料为可进行范德华力堆叠的纳米级材料；费米能级附近的能带轨道很容易区分，比如用不同元素的能级分布在费米能级不同侧(导带和价带)；费米能级附近电子和空穴的行为具有能带反转与非平凡拓扑这一基本特性；单层量子自旋霍尔效应绝缘体材料能带结构的导带底与价带顶间隙在0.01eV到0.1eV之间。

S2.使用第一性原理计算确定与之晶格匹配的普通层状绝缘体材料。