与石墨烯相关的特征

1 拓扑绝缘体

自然界的材料根据其电学输运性质，可分为导体，半导体和绝缘体。一般的导体中存在着费米面（如图a所示），半导体和绝缘体的费米面存在于禁带之中（如图b所示）。拓扑绝缘体在边界上存在着受到拓扑保护的稳定的低维金属态，这些无能隙的边缘激发处在禁带之中，并且连接价带顶和导带底（如图c，d所示）。从这个意义上讲，拓扑绝缘体是介于普通绝缘体和低维金属之间的一种新物态。根据能带理论，费米能落在晶体材料的带隙中时，材料表现为绝缘体。拓扑绝缘体的材料的能带结构类似于一般绝缘体，存在全局的能隙。但不同于一般的绝缘体，当考虑存在边界的拓扑绝缘体时，将出现贯穿整个能隙的边界态，这些特殊的边界态和体系的拓扑性质（由体系的拓扑数决定）严格对应，因而只要不改变体系的拓扑性质，这些边界态就不会被破坏。

拓扑绝缘体的典型特征是体内元激发存在能隙，但边界上或表面具有受拓扑保护的无能隙边缘激发。拓扑绝缘体的内部的电子能带结构和一般绝缘体相似，它的费米能级位于导带和价带之间，而在其表面存在一些特殊量子态，这些量子态位于块体能带结构的带隙之中，从而允许导电。拓扑绝缘体表面或边界导电是有材料电子态的拓扑结构决定，与表面的具体结构无关。也正是因为其表面金属态的出现由拓扑结构对称性所决定，所以它的存在非常稳定，基本不会受到杂志与无序的影响。

从广义上讲，可分为两大类：一类是破坏时间反演的量子霍尔体系；另一类是最近发现的时间反演不变的拓扑绝缘体。

2半金属 semimetal halfmetal

半金属：介于金属和非金属之间的物质。从能带结构来看，金属中被电子填充的最高能带是半满的或部分填充的，电子能自由运动，有较高的电导率。绝缘体中被电子填充的最高能带是满带（又称价带），价带与导带之间的禁带宽度较大。

室温下电子不能由价带激发到导带而产生自由运动的电子，因此电导率很低。半导体中电子填充能带的情况与绝缘体相似，但禁带宽度较小。在一定的掺杂浓度下，能产生导电的自由电子或自由空穴。半导体的电导率介于金属和绝缘体之间。另外，金属和半导体之间还有一种中间情况，禁带宽度为零或很小，此时在很低温度下电子就能从价带激发到导带，在导带和价带中同时存在能自由运动的电子和空穴。如碲化汞（HgTe），这种材料称为半金属。

半金属大都是半导体，具有导电性，电阻率介于金属（10－5欧姆.厘米以下）和非金属（1010欧姆·厘米以上）之间。导电性对温度的依从关系大都与金属相反；即其电导率便随温度而上升。

半金属能带的特点，是它的导带与价带之间有一小部分重叠。不需要热激发，价带顶部的电子会流入能量较低的导带底部。因此在绝对零度时，导带中就已有一定的电子浓度，价带中也有相等的空穴浓度。这是半金属与半导体的根本区别。但因重叠较小，它和典型的金属也有所区别。这类材料的禁带宽度很小，因此被用来制作红外探测器件。红外光的波长为10微米左右，对应的光子能量为0.1电子伏。半金属材料被红外光照射以后，电子能迅速从价带激发到导带，引起电导率变化，从而探测到红外光。

半金属材料的一个重要特征为具有高达100%的传导电子自旋极化率。半金属磁性材料是一种具有极大的应用潜能的自旋电子学材料这类材料是一种新型的功能材料。其新颖点在于具有两个不同的自旋子能带。一种自旋取向的电子(设定为自旋向上的电子)的能带结构呈现金属性,即Fermi面处于导带中,具有金属的行为;而另一自旋取向的电子(设定为自旋向下的电子)呈现绝缘体性质或半导体性质,所以半金属材料是以两种自旋电子的行为不同(即金属性和非金属性)为特征的新型功能材料。

Semi-metal：不同于half-metal，是一种导带底和价带顶发生部分重叠的材料。没有带隙，有较小的电荷载流子，较低的电导率和热导率。

Half-metal：最近新发现的物质性质，主要指半导体和绝缘体。由于上旋和下旋轨道发生劈裂，导致上旋（下旋）能带穿越费米能级，表现为金属性；而下旋（上旋）能带不穿越费米能级，依然为半导体或绝缘体结构；由于上旋和下旋轨道的金属性和非金属性差别，导致材料具有独特的性能，我们把这种材料称作

half metal。

3 拓扑半金属 Dirac and weyl semimetal

拓扑半金属：是不同于拓扑绝缘体的一类全新的拓扑电子态。能带交叉简并点Weyl node恰好坐落在费米面上，就会给出一类非常特殊的电子结构拓扑半金属。这种材料的价带和导带在动量空间某些孤立的点互相接触，使材料整体导电。第一性原理计算指出，这种材料的表面电子态不再是“狄拉克锥”，甚至不形成闭合的曲线，而是一段起始于价带和导带的其中一个接触点，而终结于另一个接触点的“费米弧”。这样的费米弧表面电子态将使材料具有前所未见的新奇量子输运特性。

费米弧表面电子态的动量空间构型

Weyl semimetal：在拓扑狄拉克半金属的电子态中，两个手性相反的Weyl 费米子在动量空间中重叠出现。狄拉克半金属，其费米面由四度简并的狄拉克点构成，是无质量的狄拉克费米子。把狄拉克半金属中重叠的手性相反的Weyl费米子在动量空间中分开就可以实现真正的Weyl半金属态。这需要打破能带的自旋简并，通常可以通过破缺时间反演或中心反演对称来实现。在Weyl半金属中，由于受到拓扑保护，两个具有相反手性的Weyl电子态之间的散射很弱，可以用于实现极低能耗的电子输运。特别是该电子态可以在室温下稳定存在，对室温低能耗电子学器件的应用具有重要价值。

Dirac semimetal：拓扑狄拉克半金属是一种全新的奇特拓扑量子材料。这种材料的体电子形成了三维的狄拉克锥结构，所以可以看作是“三维的石墨烯”。另外，由于这种材料的电子结构具有非平庸的拓扑性质，它也有和拓扑绝缘体类

似的表面态。这些独特的电子结构在最近的高分辨光电子谱实验中得到了证实。下图中是Na3Bi，第一个被实验证实的三维拓扑狄拉克半金属的能带结构：内部的线性色散是由体电子形成的狄拉克锥；

4 金属——绝缘体转变

金属-绝缘体转变：导体与非导体的能带结构不同,而且导体的电导主要决定于Fermi面附近的情况。一定的外界条件如果能够影响到能带结构或Fermi能级,则就可以引起从导体 (金属)向非导体(绝缘体)的转变或相反的转变。即外界条件（如压力、温度）变化时，能引起点阵常数的变化，甚至引起点阵结构的变化，从而改变各个能带的相对位置，使绝缘体的满带和空带发生能量重叠，禁带就不存在了,变成导体；或者相反,使重叠的能带分开，出现禁带，从导体变成绝缘体。这种金属-绝缘体之间的相互转变可以有以下几种类型：

1 Anderson转变：无序固体系统中的电子有扩展态和定域态两种. 处于扩展态的电子导电性能好,材料呈现出金属性质; 处于定域态的电子导电性能差,材料呈现出绝缘体性质. 而材料的总电导主要决定于Fermi面附近电子的贡献,因此,当Fermi能级位于扩展态区域时,即呈现出金属的导电性;当Fermi能级位于定域态区域时,即呈现出绝缘体的导电性.如果改变条件(例如改变电子浓度,使填充能带的Fermi能级位置不同; 或者改变固体的无序度,使迁移率边的位置移动),就可以使Fermi能级从定域态区域进入扩展态区域,致使电导从绝缘体性转变为金属性,反之依然.这就是Anderson转变.

2 Mott转变：孤立原子的电子能级对应于比较狭窄的能带,原子能级理当不导电,但是如果能带是不满的,则仍将可以导电. 这说明这时单电子的能带模型