文 |追风怪谈

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<<——【·前言·】——>>

钨是一种重要的金属材料，具有高熔点、高密度、良好的机械性能和热稳定性等优异特性。由于这些特殊性质，钨及其合金广泛应用于高温高压、航空航天、电子器件、核工程等领域。然而，钨基材料的电子传输性质一直是研究的热点，特别是在低温和极端条件下，其电子结构可能呈现出非常奇特的物性行为。

近年来，随着拓扑物态研究的深入发展，节点线半金属态成为材料科学领域的新兴热点。节点线半金属态是一种特殊的拓扑态，在其能带结构中，导带和价带交叉形成点状结构，被称为节点线。这种节点线结构赋予材料一些独特的电子传输性质，如非常高的电子迁移率和高度的载流子流动度。因此，节点线半金属态在能源转换、电子器件、量子计算等领域具有广泛的应用潜力。

本文旨在研究钨基材料中的节点线半金属态，并深入探讨其电子传输特性和物理机制。

<<——【·文献综述·】——>>

钨是一种高熔点、高密度、高强度的金属材料，自19世纪末被发现以来，一直是材料科学领域的重要研究对象。早期主要用于灯丝、电阻丝等电器元件中。随着材料科学和工程技术的不断发展，钨基材料在航空航天、核工程、电子器件和高温高压等领域得到广泛应用。

钨基合金的研究也逐渐受到重视，通过合金化可以进一步改善钨的性能。例如，钨铜合金在高能物理实验中用作靶材料；钨铁合金用于重要结构部件；钨钼合金用于高温环境中的应用。然而，在低温和极端条件下，钨基材料的电子结构可能呈现出非常奇特的物性行为，其中节点线半金属态引起了研究者的广泛兴趣。

节点线半金属态是一种特殊的拓扑态，在其能带结构中，导带和价带在某些波矢空间点处交叉形成点状结构，被称为节点线。与传统的绝缘体、导体和半导体不同，节点线半金属态的费米能级接近节点线，导致其在输运性质和电子传输中呈现出独特的行为。

节点线半金属态最早由Burkov和Balents在2011年提出，并在石墨烯、Weyl半金属中进行了理论预测。其后，在石墨烯、拓扑绝缘体和拓扑半金属等材料中，成功观测到了节点线半金属态的存在，验证了其在实际材料中的存在性。

随着对节点线半金属态的认识和理解不断深入，研究者开始关注其他材料中节点线半金属态的存在与特性。除了石墨烯和拓扑绝缘体，一些过渡金属化合物和复杂材料中也被发现存在节点线半金属态。

在过渡金属化合物中，如MoTe2和WTe2等，节点线半金属态被广泛研究。这些材料因其丰富的电子结构、拓扑特性和电子输运行为而备受关注。节点线半金属态的存在为这些材料的功能化和应用提供了新的思路。

<<——【·节点线半金属态的理论与计算方法·】——>>

在第一性原理计算中，常用的方法包括密度泛函理论（Density Functional Theory，DFT）、GW近似、耦合簇近似等。其中，DFT是最为常用和广泛应用的方法，通过计算电子的电荷密度来确定能量和力，进而得到材料的结构和性质。

在节点线半金属态的计算模型中，首先需要选择适当的材料体系，并确定其晶体结构和晶格常数。对于复杂的过渡金属化合物，常采用实验测得的晶体结构作为起始模型。

接着，需要定义计算模型的超胞（supercell），即通过在晶胞中重复添加原子来构建较大的模型。超胞的大小和形状对于节点线的形成和计算精度具有一定影响，通常需要进行合理的选择。

在DFT方法中，电子的波函数可以通过Kohn-Sham方程求解，其中包含一个交换-相关项来描述电子间的交互作用。为了减小计算复杂度，常用局域密度近似（Local Density Approximation，LDA）或广义梯度近似（Generalized Gradient Approximation，GGA）来近似交换-相关项。

通过计算电子的能量，可以得到材料的能带结构。在节点线半金属态的研究中，关注导带和价带交叉的位置和形状，以确定节点线的存在。

<<——【·节点线半金属态的实验观测与验证·】——>>

在实验观测和验证节点线半金属态之前，首先需要制备合适的样品并对其进行结构表征。样品的合适制备是确保实验结果的关键，通常可以通过熔炼、化学气相沉积、溅射等方法来制备钨基材料或过渡金属化合物样品。制备的样品应具有高质量的晶体结构和化学纯度。

然后，利用X射线衍射（XRD）等技术对样品的晶体结构进行表征。XRD实验可以确定样品的晶格常数、晶体结构和晶体取向等信息，以验证样品是否为所需的钨基材料或过渡金属化合物，并确保样品的质量。

电子能谱测量是实验观测节点线半金属态的重要手段。一种常用的实验方法是角度分辨光电子能谱（ARPES）。ARPES实验通过激发材料表面的电子，测量其在能量-动量空间的分布，从而获得材料的能带结构和电子态密度信息。

在ARPES实验中，样品通常被放置在超高真空环境中，通过激光或同步辐射光源照射样品表面。通过调整光束入射角度和能量，可以获得不同动量的电子能谱，从而揭示材料中导带和价带的能量位置和交叉情况，进而确定节点线的存在。

表面态和费米面拓扑结构的实验测定对于验证节点线半金属态的拓扑性质至关重要。表面态是指在材料表面形成的电子态，通常与材料的拓扑特性密切相关。费米面是能带结构中能量等于费米能级的平面，其形状和拓扑结构也与材料的拓扑性质相关。

通过ARPES实验，可以在样品表面观测到表面态和费米面的形态。节点线半金属态的拓扑性质可通过观测表面态的出现和费米面的形状来验证。在节点线半金属态的样品中，表面态可能表现出非常特殊的形态，如特殊的轨道结构或Berry相等点，而费米面的形状也可能呈现出独特的拓扑特征。

<<——【·节点线半金属态在钨基材料中的发现与性质分析·】——>>

在钨基材料中发现节点线半金属态需要进行实验观测。通过上文提到的电子能谱测量和表面态的实验方法，可以获得节点线半金属态样品的电子能带结构和表面态的形态。

实验观测结果显示，节点线半金属态的导带和价带在某些波矢空间点处交叉，形成点状结构。这些交叉点在能带图中可以清晰地观察到，验证了节点线半金属态的存在性。同时，表面态的形态和费米面的拓扑结构也符合节点线半金属态的特征，进一步证明了节点线半金属态的存在。

对于钨基材料中的节点线半金属态，进一步分析其能带结构和电子态密度是深入了解其性质的关键。通过电子能谱测量得到的能带结构数据，可以揭示导带和价带交叉的能量位置和形状，确定节点线的存在。

节点线半金属态的能带结构具有特殊的拓扑特性，如费米速度极高、Berry曲率非零等。这些特性对材料的电子传输性质产生重要影响。通过计算和分析节点线半金属态的能带结构，可以确定其非常规的电子传输行为，如高导电率、高迁移率等。

同时，通过电子态密度分析，可以了解节点线半金属态的电子态在能量和动量空间的分布情况。这有助于揭示材料中电子的能级分布和密度分布，进一步理解节点线半金属态的电子传输特性。

节点线半金属态由于其特殊的电子传输性质，在输运行为上表现出一些非常规的特点。其中最重要的是高导电率和高迁移率。

高导电率是指在节点线半金属态中，载流子的迁移率非常高，电流能够在材料中迅速传导。这一特性使节点线半金属态在电子器件中具有重要应用潜力，例如在高频电子器件中提供更高的电导性能。

高迁移率是指节点线半金属态中的载流子在外加电场下的迁移速率非常快。这一特性有助于提高材料的电子传输效率，使其在能源转换和电子器件中发挥重要作用。

通过实验观测和理论计算，可以对节点线半金属态的输运性质进行全面分析。这些性质的深入了解有助于揭示节点线半金属态在钨基材料中的重要作用，并为其在能源和电子器件领域的应用提供理论支持。

<<——【·结论·】——>>

在实验观测方面，我们通过电子能谱测量和表面态的实验方法，获得了节点线半金属态样品的电子能带结构和表面态的形态。实验结果清晰地验证了节点线半金属态的存在性，并证明了其在钨基材料中的存在。

在能带结构和电子态密度分析方面，我们进一步研究了节点线半金属态的能带结构和电子态密度。通过能带结构的计算和分析，我们确定了节点线的位置和形状，揭示了其特殊的拓扑特性和电子传输行为。电子态密度分析有助于了解材料中电子的能级分布和密度分布，进一步理解节点线半金属态的性质。

在输运性质分析方面，我们发现节点线半金属态具有高导电率和高迁移率的特点。这些非常规的电子传输性质为节点线半金属态在能源转换和电子器件领域的应用提供了重要潜力。

这些研究结果对于深入理解节点线半金属态的特性和拓扑性质，以及其在材料科学和器件应用中的潜在作用具有重要意义。未来的研究可以进一步探索节点线半金属态的调控和优化，以实现其在更广泛领域的应用。

<<——【·参考文献·】——>>

哈桑·MZ，凯恩·CL。座谈会：拓扑绝缘体。修订版物理。2010；82：3045。齐X，张S。拓扑绝缘体和超导体。修订版物理。2011；83：1057。Weng H，Fang C，Fang Z，Bernevig BA，Dai X。非中心对称过渡金属单磷化物中的 Weyl 半金属相。物理修订版 X.2015；05：011029。Xu S、Liu C、Kushwaha SK、Sankar R、Krizan JW、Belopolski I、Neupane M、Bian G、Alidoust N、Chang TR、Jeng HT、Huang CY、Tsai WF、Lin H、Shibayev PP、Chou FC、Cava RJ、Hasan MZ。拓扑金属中费米弧表面态的观察。科学。2015；347(6219):294。吕宝清, 翁海民, 付, 王先平, 苗华, 马军, 理查德·P, 黄新昌, 赵立新, 陈国富, 方Z, 戴新, 钱涛, 丁辉. 外尔半金属TaAs的实验发现. 物理修订版 X.2015；5(3)：031013。Chiu CK，Teo JC，Schnyder AP，Ryu S。具有对称性的拓扑量子物质的分类。修订版 Mod。物理。2016；88(3):035005。