本发明涉及纳米材料，更具体地说，涉及一种图案化二维电子气拓扑节线半金属及其设计方法。
背景技术：
1、在过去的几十年里，拓扑材料已成为凝聚态物理学研究的热点，其中拓扑半金属是其中的重要一员，包括狄拉克、外尔和节线半金属。与具有离散交叉点的狄拉克和外尔半金属不同，节线半金属中这些交叉点在费米能级附近形成连续的线或闭环。根据简并度的不同，节线半金属又可以进一步划分为狄拉克节线半金属和外尔节线半金属。由于节线材料中低能准粒子的行为与传统的薛定谔型费米子不同，因此它具有许多新奇的特性，如手性异常、近乎平的鼓膜表面态、独特的朗道能级，以及异常的电磁和输运响应，并有望实现高温超导等新物态，为实现基于拓扑量子器件的应用奠定基础。
2、一方面，在器件设计中，相比于三维材料，二维材料具有更加平整的界面，可以有效规避界面无序引起的器件性能问题。此外，其厚度仅有几个原子层，性质可以在大范围内进行调控，这将为基于拓扑节线半金属的器件应用带来突破。另一方面，现有的拓扑节线半金属材料都是基于固有的晶体学对称性保护，这对材料的要求较高，特别是当材料中的自旋轨道耦合不可忽略的时候，还需要额外的对称性保护。并且即使材料选定了，随之而来也易带来一些问题，比如特定的晶面限制、不稳定的构型。因此，当前寻找天然存在的二维拓扑节线半金属材料仍然较难。
3、相比于点式对称操作，非点式对称操作更能产生稳定的交叉点，因为非点式对称能保护交叉点免受材料本身自旋轨道耦合的影响，比如漏斗形色散、节点链和绝缘体。而近年来，除了依靠材料本身固有的对称性，使用外部手段去调控体系的对称性也得到了理论和实验上的广泛研究，其中图案化二维电子气就是一种非常有效的方法，借助这一方法可以设计出任何所需的拓扑态，完全不受材料的约束。因此，结合图案化二维电子气方法和非点式对称性，有望设计出稳定存在的拓扑半金属材料。
技术实现思路
1、本发明为了解决在器件设计中三维材料无法规避界面无序引起的器件性能，以及现有的拓扑节线半金属材料都是基于固有的晶体学对称性保护，对材料的要求较高，特别是当材料中的自旋轨道耦合不可忽略的时候，还需要额外的对称性保护，并且即使材料选定了，随之而来也易带来一些问题，比如特定的晶面限制、不稳定的构型，当前寻找天然存在的二维拓扑节线半金属材料仍然较难的问题，提供了一种图案化二维电子气拓扑节线半金属及其设计方法。本发明提供的图案化二维电子气拓扑狄拉克节线半金属的吸附层与二维电子气单晶基底呈现明显的二维周期性非点式对称结构。
2、为了达到上述目的，本发明提供了一种图案化二维电子气拓扑节线半金属，其特征在于，由吸附层吸附在图案化二维电子气表面(15)构成；所述图案化二维电子气单晶基底选用铜/金的(111)表面(15)，所述吸附层选用周期性单原子层(14)。
3、优选方案下，所述周期性单原子层(14)选用铋原子(14)。
4、优选方案下，所述周期性吸附层(14)具有非点式对称结构。
5、优选方案下，所述图案化二维电子气拓扑半金属的简并点(11、12、13)由非点式对称性所保护。
6、另一方面，本发明还提供了一种上述图案化二维电子气拓扑节线半金属的设计方法，包括如下步骤：
7、步骤1、对维基百科中17种二维墙纸群进行对称性分析，根据对称性分析结果筛选出含有非点式操作的二维墙纸群并划分为二维非点式群；
8、步骤2、查三维层群表和三维空间群表，根据步骤1所述二维非点式群的对称操作逐一找到与所述二维非点式群对应的三维空间群，并得到各三维空间群的空间群号，再利用材料计算软件materials studio根据找到的三维空间群构造晶格结构(1-3)，得到外加周期性吸附层结构；所述晶格结构(1-3)包括晶格矢量(5)和格点位置(4)；
9、步骤3、根据步骤2所设计的吸附层结构对图案化二维电子气模型进行填充，理论上得到图案化二维电子气超晶格结构；
10、步骤4、对步骤3所述图案化二维电子气超晶格结构进行材料制备，得到图案化二维电子气拓扑半金属。
11、优选方案下，步骤2所述晶格结构(1-3)的构造包括如下步骤：逐一输入各所述三维非点式空间群的空间群号和晶格常数，然后任意添加一个格点位置，晶格会根据既定的三维空间群对称性自动补全其余所有格点位置，得到外加周期性吸附层结构(1-3)。
12、优选方案下，步骤4所述图案化二维电子气超晶格结构制备方法材料的制备方法为分子吸附、原子吸附、量子阱刻蚀、原子力显微镜刻蚀和“自上而下”刻蚀中的一种。
13、优选方案下，步骤4所述图案化二维电子气超晶格结构制备方法材料的制备方法为原子吸附，所述原子吸附，包括如下步骤：
14、a1、在真空条件下，对铜/金单晶基底(15)的(111)表面进行3～5次氩离子溅射，喷溅时间为15～20min，电压为800～1000ev；
15、a2、将铜/金单晶基底(15)的(111)表面加热，加热温度为780～850k，加热时间为25～35min，得到干净平整的晶面；
16、a3、在室温条件下，将铋原子(14)蒸发沉积到步骤a2得到的所述干净平整的晶面上使铋原子(14)在表面充分运动，得到样品；
17、a4、将步骤a3所得样品在温度为500～600k的条件下加热100～150min，得到图案化二维电子气拓扑节线半金属(即覆盖在铜/金表面15的铋单原子层14)。
18、优选方案下，步骤a1所述喷溅时间为20min，所述真空条件为真空度高于2×10-10mbar，所述铜/金单晶基底(15)纯度为99.999％；步骤a2所述加热时间为30min，所述加热温度为800k；步骤a3所述室温为22～27℃，所述蒸发沉积为将铋原子(14)通过热阻式蒸发源用克努森容器蒸发沉积到步骤a2得到的干净平整晶面；步骤a4所述温度为550k，所述加热时间为2h。
19、优选方案下，所述图案化二维电子气模型中外加周期势类型采用muffin-tin势，在muffin-tin圆(4)范围内势能为恒值u0(>0)，超出此范围势能为0。
20、在更详细的方案中，本发明提供的一种图案化二维电子气拓扑节线半金属的设计方法，包括如下步骤：
21、步骤1、对维基百科中所有17种二维墙纸群进行对称性分析，根据对称性分析的结果即是否含有非点式操作将所有的墙纸群划分成二维点式/非点式群；
22、步骤2、对步骤1所述非点式群进行晶格结构设计，并确定各个格点位置(4)，确定方法为：依据非点式群中相应的对称操作通过查层群和空间群表一一找到与其相对应的三维空间群，再利用材料计算软件materials studio根据找到的空间群构造晶格结构(1-3)，包括晶格矢量(5)和格点位置(4)，从而得到外加周期性吸附层结构；
23、步骤3、根据步骤2所设计的吸附层结构对图案化二维电子气模型进行填充，理论上得到图案化二维电子气超晶格结构；
24、步骤4、采用多种方法研究图案化二维电子气超晶格拓扑半金属能带结构，包括对称性分析、数值计算、解析处理三种研究方法。通过对称性分析布里渊区(6)中高对称点/线(7)的小群获得简并度信息；数值计算图案化二维电子气模型哈密顿量本征值并绘制出能带图；利用简并微扰论解析处理拓扑简并点/线(11、12、13)附近的色散关系；
25、步骤4为理论计算部分，三种研究方法得到结果均能证实所构造的图案化二维电子气超晶格确实是拓扑节线半金属。先理论，后实验，后续步骤5是实验制备。
26、步骤5、制备图案化二维电子气拓扑节线半金属：对步骤3所述的图案化二维电子气超晶格进行材料制备，制备方法选用原子吸附，其中二维电子气单晶基底选用铜/金的(111)表面(15)，吸附层选用铋原子(14)。
27、在本发明的某一些实施例中，图案化二维电子气拓扑节线半金属是由周期性单原子层(14)吸附在二维电子气材料表面(15)所构成。
28、在本发明的某一些实施例中，所述周期性吸附层(14)具有非点式对称结构。
29、在本发明的某一些实施例中，所述拓扑半金属的简并点(11、12、13)由非点式对称性所保护。
30、在本发明的某一些实施例中，图案化二维电子气模型中外加周期势类型采用muffin-tin势，在muffin-tin圆(4)范围内势能为恒值，超出此范围势能为0。
31、在本发明的某一些实施例中，所述图案化二维电子气超晶格材料的制备方法有多种，包括分子/原子吸附、量子阱刻蚀、原子力显微镜刻蚀和“自上而下”刻蚀，且所述的周期性结构可以被扫描隧道显微镜表征。
32、本发明的有益效果是：
33、本发明建立了在纳米图案化二维电子气中设计非点式对称保护的拓扑狄拉克节线半金属的一般原理，有效利用了外加周期势去调控系统的对称性和能带结构，丰富了二维拓扑半金属家族，为基于拓扑狄拉克节线半金属的拓扑量子器件设计提供了新的可能，同时这一设计思路易于扩展到其它自组装表面体系，具有极高的科研价值以及应用潜力。
1.一种图案化二维电子气拓扑节线半金属，其特征在于，由吸附层吸附在二维电子气表面(15)构成；所述图案化二维电子气单晶基底选用铜/金的(111)表面(15)，所述吸附层选用周期性单原子层(14)。
2.根据权利要求1所述图案化二维电子气拓扑节线半金属，其特征在于，所述周期性单原子层(14)选用铋原子(14)。
3.根据权利要求1或2所述图案化二维电子气拓扑节线半金属，其特征在于，所述周期性吸附层(14)具有非点式对称结构。
4.根据权利要求1或2所述图案化二维电子气拓扑节线半金属，其特征在于，所述图案化二维电子气拓扑半金属的简并点(11、12、13)由非点式对称性所保护。
5.一种权利要求1～4任一所述图案化二维电子气拓扑节线半金属的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
6.根据权利要求5所述图案化二维电子气拓扑节线半金属的设计方法，其特征在于，步骤2所述晶格结构(1-3)的构造包括如下步骤：逐一输入各所述三维非点式空间群的空间群号和晶格常数，然后任意添加一个格点位置，晶格会根据既定的三维空间群对称性自动补全其余所有格点位置，得到外加周期性吸附层结构(1-3)。
7.根据权利要求5所述图案化二维电子气拓扑节线半金属的设计方法，其特征在于，步骤4所述图案化二维电子气超晶格结构制备方法材料的制备方法为分子吸附、原子吸附、量子阱刻蚀、原子力显微镜刻蚀和“自上而下”刻蚀中的一种。
8.根据权利要求7所述图案化二维电子气拓扑节线半金属的设计方法，其特征在于，步骤4所述图案化二维电子气超晶格结构制备方法材料的制备方法为原子吸附，所述原子吸附，包括如下步骤：
9.根据权利要求8所述图案化二维电子气拓扑节线半金属的设计方法，其特征在于，步骤a1所述喷溅时间为20min，所述真空条件为真空度高于2×10-10mbar，所述铜/金单晶基底(15)纯度为99.999％；步骤a2所述加热时间为30min，所述加热温度为800k；步骤a3所述室温为22～27℃，所述蒸发沉积为将铋原子(14)通过热阻式蒸发源用克努森容器蒸发沉积到步骤a2得到的干净平整晶面；步骤a4所述温度为550k，所述加热时间为2h。
10.根据权利要求5所述图案化二维电子气拓扑节线半金属的设计方法，其特征在于，所述图案化二维电子气模型中外加周期势类型采用muffin-tin势，在muffin-tin圆(4)范围内势能为恒值u0(>0)，超出此范围势能为0。
