作为一种全新量子物态，拓扑绝缘体的发明被认为是继石墨烯之后的“Next Big Thing”。拓扑绝缘体对基本物理的懂得和半导体器件的应用都有巨大年夜的价值，因而逐渐成为凝集态物理和电子学范畴的研究热点，受到全球科学家存眷，以期解决摩尔定律即将掉效的难题，冲破能源、信息等范畴面对的瓶颈。经由数十年的深刻研究，拓扑绝缘体在理论基本、材料体系、制备办法、物理性质、新型应用拓展等方面取得了明显进步。从红外到太赫兹频段的超宽频响应使拓扑绝缘体在微电子、光电子及自旋电子学等方面具有令人注目标应用前景。由此，体系总结拓扑绝缘体国表里最新的研究成果，对推动其实际应用至关重要。
电子学和微电子学在20世纪取得了重大年夜成就。近几十年来，以半导体场效应晶体管为根本构造单位的大年夜范围集成电路技巧突飞大进、日新月异，使人类进入信息时代。跟着计算机技巧的成长，安排计算机范畴的摩尔定律已经逐渐掉效，其不得不迫使摩尔定律之后计算机范畴产生改变和变革。传统半导体材料的微电子学的成长，仅仅应用了电子具有电荷这一特点，并未涉及电子的另一特点??自旋。然而，基于拓扑量子材料的自旋电子学是应用电子的自旋特点进行信息的存储、传递与处理的一门新兴学科，其核心在于自旋相干导电，即电导或电阻随导电电子自旋而异（图1）。将电子自旋引入电子学增长了电子活动的维度，丰富了电子学的内容，使电子学和微电子学产生了很大年夜的变更，可从根本上改变芯片的设计改变今朝的计算框架。拓扑绝缘体就是拓扑量子材料的一种，其可替代传统硅，在量子计算机中具有巨大年夜的潜在应用价值。
图1自旋量子器件工作机理
拓扑绝缘体是一种具有强自旋轨道耦合感化的新兴量子物质态，其内部为存在能隙的绝缘态，电子能带构造具有与传统绝缘体类似的体相带隙；而在外面或界线则是受材料本征性质的拓扑保护且自旋劈裂的外面电子态（无能隙的金属态），呈线性色散、受时光反演对称性保护（图2）。拓扑绝缘体独特的界线/外面态，导致电子输运时自旋与动量锁定，受到时光反演对称性的保护，且不会被非磁性杂质背散射，是以是自旋输运的幻想“双向车道”的高速公路，在自旋电子学、低功耗电子器件以及量子计算机等范畴有着广泛的应用前景。除此之外，拓扑绝缘体独特电子能带的拓扑性质使其表示出独特的物理性质，与量子霍尔效应、量子自旋霍尔反响和量子反常霍尔效应等范畴慎密相连，也将使得实验上不雅测到科学家们一向寻找的Axion、Majorana费米子成为可能。是以，拓扑绝缘体材料体系敏捷成为了凝集态物理及材料范畴的研究热点，引起了国际学术界的广泛存眷。
图2（a）拓扑绝缘体示意图；（b）拓扑绝缘体能带构造示意图
平日而言，对一种新型材料持之以恒的存眷和摸索很大年夜程度上源自其应用牵引。近些年，拓扑绝缘体从理论到基本实验对其新鲜物理特点的研究取得了一系列冲破性的进展，展示出巨大年夜的应用潜力，为后续走向实际应用供给了诸多新的可能性。例如，基于拓扑绝缘体电子自旋与动量的锁定、极低的耗散，以及量子自旋霍尔效应，可研制应用于将来信息存储和量子计算的自旋电子器件、倍频器、数字存储、光电子器件，以及高速无损耗电旌旗灯号传输与芯片互联构造等。拓扑绝缘体有基本研究到功能器件的快速成长，为实现其实际应用奠定了坚实的理论与技巧基本。
拥有“电子高速公路”的拓扑绝缘体将进入应用阶段（图3），其在量子计算机中具有巨大年夜的潜在应用价值，有望解决摩尔定律即将掉效的难题，实现半导体功能器件范畴的变革性冲破。故而，我们有须要对拓扑绝缘体材料体系和功能器件应用的研究进展和成长趋势进行周全、体系的总结回想，推动拓扑绝缘体将来功能化应用。
图3（a）自旋电子活动示意图；（b）电子活动的“高速公路”
《拓扑绝缘体：基本及新兴应用》一书恰是在此背景下撰写而成，本书力争以最新内容，结合国表里最新的研究成果与技巧，周全、体系阐述拓扑绝缘体的物理特点及其在信息能源等范畴中的应用。内容涵盖了拓扑绝缘体从理论基本、材料体系、制备办法、物理性质、新型应用等各个范畴；并对拓扑绝缘体自旋电子器件、纳电子器件、光电器件、透明导电薄膜、热电转化等重要功能器件进行了具体介绍。作为拓扑绝缘体范畴的第一部中文论著，涵盖面广，由浅入深，能反应拓扑绝缘体范畴比来的研究全貌。信赖本书的出版对拓扑绝缘体在能源、电子、信息等诸多范畴的研究具有重要推动意义和学术参考价值，其也可以作为从事相干范畴研究的科研工作者的参考书目。
作者简介
《拓扑绝缘体：基本及新兴应用》
（低维材料与器件丛书/成会明 总主编）
彭海琳 编著
义务编辑：翁靖一，李丽娇
ISBN：978-7-03-064117-5
拓扑绝缘体是一种内部绝缘、界面许可电荷移动的全新量子材料，是科技前沿范畴近年来的研究热点。拓扑绝缘体具有独特的电子构造，涉及很多重要的物理现象和机制，并表示出优良的物理化学性质和广阔的器件应用前景。本书基于作者多年在拓扑绝缘体材料范畴的科研工作，结合国表里最新研究进展，从拓扑绝缘体的理论基本出发，体系而深刻地介绍了拓扑绝缘体的材料体系和响应的制备办法，并具体介绍了拓扑绝缘体材料的性质表征及器件应用前景。
本书目次
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目次
总序
媒介
第1章 拓扑绝缘体的根本理论 1
1.1 拓扑序与拓扑相 1
1.1.1 朗道相变理论 1
1.1.2 拓扑序的引入 2
1.1.3 动量空间中的拓扑序和陈数 3
1.1.4 拓扑相的特点 5
1.2 二维拓扑绝缘体和量子自旋霍尔效应 6
1.2.1 边沿态的产生 6
1.2.2 TKNN道理和第一陈数 7
1.2.3 Z2马拓扑不变量和量子自旋霍尔效应 9
1.3 三维拓扑绝缘体 11
1.3.1 能带反转 11
1.3.2 薄层三维拓扑绝缘体的能带构造 12
1.4 拓扑绝缘体的物理性质 14
1.4.1 自旋轨道耦合 14
1.4.2 元背散射的输运行动 14
1.4.3 量子相干与反弱局域化效应 15
1.4.4 拓扑外面态在强磁场中的行动 15
参考文献 16
第2章 拓扑材料体系 18
2.1 二维拓扑绝缘体 19
2.1.1 石墨烯 20
2.1.2 HgTe/CdTe量子阱构造 22
2.1.3 其他体系 24
2.2 三维拓扑绝缘体 25
2.2.1 第一类三维拓扑绝缘体 26
2.2.2 第二类三维拓扑绝缘体 28
2.3 有机拓扑绝缘体 30
2.4 拓扑近藤绝缘体 32
2.5 拓扑晶体绝缘体 34
2.5.1 Pb1-xSnxTe 35
2.5.2 Pb1-xSnxSe 38
2.6 拓扑超导体 38
2.7 外尔半金属 41
2.7.1 第一类外尔半金属 42
2.7.2 第二类外尔半金属 44
参考文献 48
第3章 拓扑绝缘体的制备办法 52
3.1 拓扑绝缘体单晶块材的发展 52
3.1.1 拓扑绝缘体单晶块材发展办法 52
3.1.2 拓扑绝缘体单晶块材的能带工程 55
3.2 拓扑绝缘体低维纳米构造的制备 58
3.2.1 剥离法制备拓扑绝缘体纳米片 59
3.2.2 溶液法合成拓扑绝缘体纳米构造 62
3.2.3 化学气相沉积发展拓扑绝缘体纳米构造 65
3.2.4 分子束外延发展拓扑绝缘体 72
3.2.5 范德瓦耳斯外延发展拓扑绝缘体 77
参考文献 86
第4章 拓扑绝缘体的性质表征 90
4.1 扫描地道显微镜和地道谱 90
4.1.1 扫描地道显微镜和地道谱技巧基本 90
4.1.2 扫描地道显微镜在拓扑绝缘体材料研究中的应用 92
4.1.3 扫描地道谱在拓扑绝缘体材料研究中的应用 94
4.2 角分辨光电子能谱 100
4.2.1 角分辨光电子能谱基本 100
4.2.2 拓扑绝缘体的角分辨光电子能谱 106
4.3 拓扑绝缘体的电学输运测量 111
4.3.1 量子相干效应 111
4.3.2 反弱局域化效应 113
4.3.3 舒布尼科夫-德哈斯量子振荡 114
4.3.4 量子霍尔效应 116
4.3.5 量子自旋霍尔效应 119
4.3.6 量子反常霍尔效应 123
参考文献 126
第5章 拓扑绝缘体的应用 130
5.1 拓扑绝缘体自旋电子器件 130
5.1.1 自旋电子学的形成与成长 131
5.1.2 基于拓扑绝缘体/铁磁界面的自旋电子器件 132
5.2 拓扑绝缘体纳电子器件 134
5.3 拓扑绝缘体光电器件 137
5.3.1 拓扑外面态光电流的产生和控制 137
5.3.2 拓扑绝缘体在光热电器件中的应用 138
5.3.3 拓扑绝缘体外面态光电子的把持及其在光电阴极器件中的潜在应用 139
5.3.4 拓扑绝缘体中的超快外面光电流及其在超快光电器件中的潜在应用 140
5.4 拓扑绝缘体透明导电薄膜 142
5.4.1 基于拓扑绝缘体Bi2Se3二维薄膜的柔性透明电极 143
5.4.2 基于拓扑绝缘体二维网格的宽光谱柔性透明电极 146
5.4.3 基于Cu插层拓扑绝缘体Bi2Se3复合物的网格透明电极 149
5.5 拓扑绝缘体热电材料 150
5.5.1 拓扑绝缘体的热电效应 150
5.5.2 拓扑绝缘体热电材料体系 151
参考文献 153
关键词索引 156
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