以Dirac系统为代表的低维量子体系的新奇量子现象研究.docx
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以Dirac系统为代表的低维量子体系的新奇量子现象研究
项目名称：
以Dirac系统为代表的低维量子体系的新奇量子现象研究
首席科学家：
段文晖清华大学
起止年限：
2011.1至2015.8
依托部门：
教育部
二、预期目标
总体目标：
从科学发展观的战略高度，以国家需求和学科发展的基本点出发，选取有良好基础、已在国际上占一席之地的有限目标作为突破口，在狄拉克量子体系的高质量样品制备、器件集成、空间/时间/能量高分辨测量技术和理论方法方面集中解决该领域存在的一些关键科学技术问题，在狄拉克量子体系的基本物理现象和新奇量子效应的发现及其性能调控方面，取得一些在国际领先的研究成果，使我国在以狄拉克量子体系为代表的低维体系的量子调控领域处于国际领先地位。
五年预期目标：
在狄拉克量子体系的制备方面，我们将探索高质量的拓扑绝缘体低维材料制备方法，实现基于拓扑绝缘体的各种复杂异质结构，进一步提高材料生长质量，制备高质量的掺杂型超导拓扑绝缘体薄膜和铁磁性拓扑绝缘体薄膜及其异质结等，并在绝缘衬底上生长拓扑绝缘体薄膜。
获得制备石墨烯纳米结构和石墨烯表面化学修饰的有效方法，发展石墨烯可控转移技术。
对制备的狄拉克量子体系进行全面的理论和实验研究，建立性能可重复的器件的加工与组装方法，为在未来信息器件方面的应用提供基础。
在狄拉克量子体系的实验表征、输运性质测量和器件制备方面，我们将利用原位的表面敏感的输运测量技术，实现对狄拉克量子体系中电子的电学性质测量。
其中，结合MBE和低温强磁场STM/STS，将研究拓扑绝缘体表面上各种纳米结构，特别是磁性和超导结构的局域电子性质与量子现象以及拓扑绝缘体表面各种点缺陷、线缺陷附近的局域电子态以及由此导致的新奇量子现象。
争取在Majorana量子态、新奇磁电效应和无磁场量子霍尔效应的探测方面取得几项具有原创性的科学发现。
提出用外场调节狄拉克量子体系的输运性质的途径，为狄拉克量子体系的未来器件应用奠定基础。
在前两者的基础上，设计和实现基于狄拉克量子体系的自旋电子及量子计算原型器件。
在狄拉克量子体系的理论及计算研究方面，我们将从理论上阐明狄拉克量子体系中边缘态的重要作用，弄清一些典型的狄拉克量子体系中的电子-电子关联、电子-声子相互作用、外场效应、尺寸效应等对于体系的电子和激子性质、电子输运和自旋输运的影响，加深人们对于电子-声子相互作用在输运过程中作用的理解。
在这些研究的基础上，提出调控能带、自旋结构及拓扑性质物理和化学性质的手段和途径，为新型纳电子学器件提供新的思路和设计。
5年预期发表学术论文160篇以上，其中在Nature（包括Nature系列）、Science、PNAS、PRL和JACS等国际一流的学术刊物上发表论文20篇以上，取得国际领先的研究成果5项。
培养6名左右国家杰出青年科学基金获得者、长江学者、教育部新世纪人才、百人计划等中青年学术带头人，培养50名以上博士生/博士后以及年轻的学术骨干，为我国在该领域的研究和发展提供重要的保障。
三、研究方案
总体研究方案
我们将紧密结合实验和理论工作，以狄拉克体系的制备、表征、精确测量和器件发展为基础（如下图所示），开展狄拉克体系量子态的调控研究。
（一）学术思路
根据量子现象和量子调控研究的现状和发展趋势，根据国家在前沿科学部署和未来高技术发展的需要，根据项目成员各自的优势和基础，我们拟选取几个方向作为重点，采取重点突破的方针，结合理论与实验研究，争取在近几年获得突破性成果。
制备高质量的狄拉克量子体系（拓扑绝缘体、石墨烯）是观测其各种量子现象，确定物理机制和进行量子调控的基础，也是本项目首先要解决的核心问题。
我们将寻找最佳拓扑绝缘体生长衬底、生长条件和工艺，实现高质量本征拓扑绝缘体以及拓扑绝缘体/铁磁体、拓扑绝缘体/超导体结构的可控制备；并探索制备单层或少层、大范围均匀的、大批量的石墨烯的新方法，以期获得大面积、高质量、高均匀性的石墨烯，发展石墨烯的可控剪裁和表面化学修饰方法。
狄拉克体系呈现出很多新颖的量子效应，对于深入理解包括相位、对称性在内的基本物理原理具有重要意义；而且与当前微纳电子器件进入原子尺度后发展的趋向、与量子信息技术发展所要求更高的信息传输和处理速度密切相关。
狄拉克量子体系的表征、测量和器件应用是本项目工作的中心。
我们将充分利用我们在极端条件下原子分辨的STM实验技术、原位ARPES、表面输运原位测量、纳米器件加工等方面的良好基础，力求阐明狄拉克量子体系新现象的物理起因，预言新的量子效应和调控的机制，并提出和制备可能的原型量子器件。
我们还将通过与实验的紧密结合，从理论上弄清典型狄拉克量子体系中的电子-电子关联、电子-声子相互作用、外场与尺寸效应等对狄拉克费米子体系的电子和自旋性质、输运行为的影响，提出调控能带、自旋结构、拓扑性质和器件设计的思路，一方面解释实验现象，另一方面提出狄拉克体系量子调控的新机制，对实验工作提供指导。
总之，通过本项目的实施，争取在狄拉克量子体系的高质量样品制备、高分辨表征、新奇量子效应测量、器件制备及其性能调控等方面的基础科学问题取得重要突破，并在Majorana量子态、新奇磁电效应和无磁场量子霍尔效应的探测等方面取得原创性的科学发现。
（二）技术途径
1、高质量的狄拉克量子体系的制备
（1）制备高质量的拓扑绝缘体是观测其各种量子现象，确定物理机制和进行量子调控的基础。
我们将首先集中力量争取大幅提高现有拓扑绝缘体及其薄膜的材料质量，并探索新型的拓扑绝缘体材料。
我们将采用新的模板和新的生长机制以剪裁拓扑绝缘体的能带、自旋结构及拓扑性质。
（2）为研究拓扑绝缘体与磁性材料和超导材料的结合，我们将着重研究如何在超高真空环境下在拓扑绝缘体表面实现绝缘磁性薄膜生长，并对磁性进行控制和表征，研究磁性薄膜在拓扑绝缘体表面的磁畴形成情况，研究由磁性结构带来的新现象。
在拓扑绝缘体表面上引入超导配对，我们要研究如何在不破坏拓扑绝缘体基本性质的基础上在表面上制备超导结构，研究超导电子对在拓扑绝缘体表面的渗透和扩散。
并进一步和磁性薄膜相结合，研究探测和调控Majorana费米子的实验方法。
这一部分是进行拓扑量子计算的出发点。
（3）在石墨烯的制备和剪裁方面，我们将探索控制制备单层或少层、大范围均匀的、可以批量制备石墨烯的新方法，以期获得大面积、高质量、高均匀性的石墨烯。
同时发展完善石墨烯的可控剪裁和表面化学修饰方法。
通过对石墨烯进行表面、边界的化学修饰来实现对石墨烯能带与电学性质的有效调控。
2．狄拉克量子体系的表征、测量和器件应用
（1）我们将结合MBE和低温强磁场STM/STS，表征拓扑绝缘体表面态和基于拓扑绝缘体的各种低维异质结构的量子态。
研究拓扑绝缘体表面上各种纳米结构，特别是表面各种点缺陷、线缺陷附近的局域电子态，探索它们和拓扑绝缘体表面态的耦合和相互作用。
采用原位ARPES和STM的方法，可避免了气体吸附、氧化等对拓扑绝缘体样品的影响，并可以对样品进行高效率的表征。
（2）我们将利用原位的表面敏感的输运测量技术，来实现对表面拓扑态中电子的电学性质测量。
此外，我们还将在高介电材料表面生长拓扑绝缘体薄膜，并探索用外场调节拓扑绝缘体的输运性质，为拓扑绝缘体的器件应用奠定基础。
（3）在石墨烯的表征方面，我们将应用超高真空扫描隧道显微镜/分子束外延系统建立单分子尺度的形貌、电子结构和物理性能之间的一一对应关系。
利用扫描探针并结合器件测量技术，我们将全面研究基底材料对石墨烯中载流子密度的调制，以及非线性Thomas-Fermi效应导致的石墨烯中不同层数的电势差异，进而系统探索在石墨烯表面吸附的分子产生特殊的吸附和扩散行为。
（4）我们将利用石墨烯的转移技术，将在金属表面CVD方法生长的石墨烯从金属衬底表面转移到目标绝缘衬底上，利用光学光刻等方法进行加工，获得石墨烯互连线路。
并通过定位生长技术，把碳纳米管等连接到石墨烯互连线路上，形成功能电子器件。
3．狄拉克量子体系新奇量子现象的理论研究
通过制备高质量样品、先进精确的表征和测量，我们将获得系统的关于狄拉克量子体系的实验结果。
在此基础上，我们将从理论上开展全面的研究，理解相应的实验发现，通过对狄拉克体系量子调控物理机理的深入探索，进一步设计和提出新的体系模型，为狄拉克体系的应用提供理论指导。
（1）在拓扑绝缘体的电子态、自旋及拓扑性质的理论研究方面，我们将系统研究拓扑绝缘体中电-声子互作用和光学过程，弄清对表面无能隙电子态稳定性的影响；阐明不同掺杂元素、缺陷对拓扑绝缘体能带结构影响，以及衬底和栅极电压等方式对拓扑绝缘体化学势和载流子浓度的控制效应。
（2）在低维拓扑绝缘体材料器件原理和热电应用方面，我们将提出拓扑绝缘体低维材料场效应晶体管器件和霍尔器件构筑方法，研究其自旋和电子的量子输运规律及电-声子互作用的影响。
考察拓扑表面态的新奇物性，同时研究拓扑绝缘体的热输运及热电性质，寻找提高ZT的新途径。
（3）在石墨烯及衍生物性质及器件应用方面，我们将研究外场和本征褶皱等因素对石墨烯狄拉克费米子特性的影响，探讨其独特的朗道能级特征和量子霍尔效应。
结合实验工作，探索有效打开和调控石墨烯结构能隙的途径，系统研究石墨烯基纳米结构电子和自旋性质、外场下的输运行为及其电极和接触的影响，提出一些基于石墨烯的纳电子器件的设计原理。
（三）本项目的创新点与特色
1、迄今为止，绝大多数的拓扑绝缘体的实验研究都是在探讨拓扑绝缘体本身的基本特性。
对于如何将拓扑绝缘体和其他体系相结合的研究还没有具体报导。
从实验上发展拓扑绝缘体和磁性、超导复合体系的制备研究必将为我们进一步深入掌握和调控拓扑绝缘体提供新的突破口。
这是本项目的特色和创新，也为将研究结果走向实用奠定了很好的基础。
此外，我们还将结合MBE和低温强磁场STM/STS，研究拓扑绝缘体表面上各种纳米结构，特别是磁性和超导结构的局域电子性质与量子现象，探索制备出全新量子器件的可能性，这是本项目的另一个特色和创新。
2、通过在拓扑绝缘体低维材料制备过程中掺杂不同元素、控制缺陷浓度和种类，实现对其能带结构调节和控制。
通过施加不同栅极电压等方式对拓扑绝缘体化学势和载流子浓度的进行控制。
通过表面、界面的修饰，调控拓扑绝缘体表面态的费米速度。
在拓扑绝缘体超薄膜中，通过量子尺寸效应和栅极电压以期调控其自旋劈裂和拓扑性质。
在实验上对拓扑绝缘体的能带和自旋结构及拓扑性质的全面实现调控是本项目的特色。
3、应用多种方法探索制备大范围均匀的、可以批量制备石墨烯的新方法，也是本项目的另一特色。
获得大面积、高质量、高均匀性的石墨烯，同时发展完善石墨烯的可控剪裁和表面化学修饰方法，使得我们获得对石墨烯能带与电学性质有效调控的能力。
这为探索基于量子效应的性能优越的全碳纳米器件提供了基础条件。
4、利用多种精确的表征方法，如原位的角分辨光电子能谱（ARPES），原位的自旋极化扫描隧道显微镜（SP-STM），超高真空扫描隧道显微镜等方法系统研究狄拉克体系的量子态及调控，建立体系形貌、电子态结构和物理性能之间的一一对应关系，全面考察狄拉克量子体系的新奇物性是本项目的另一大特色。
5、从理论上研究狄拉克体系中量子调控的机理，将基于第一原理电子结构计算、动力学等多种方法研究电子-声子相互作用，并在此框架内用运动方程方法处理对输运性质的影响。
理论和实验的密切结合是本项目研究的一个特色。
解释实验观测到的现象背后的物理本质，预言它们的性质。
这样不仅可以指导实验，还可以起到验证理论的目的。
（四）可行性分析
本项目的研究人员在小量子体系的量子调控研究中已做了大量的前期基础工作，使得我们在低维量子体系（包括拓扑绝缘体和石墨烯等）的可控生长、表征、测量及理论研究方面都有了较多的积累，在很多问题的研究中都已达到或接近国际先进水平，在某些方面处于国际领先地位。
在本项目中，我们将通过与狄拉克体系量子特性的理论研究的密切结合，以对这些体系量子态的理论探索和时域、频域、空间高分辨测量技术为基础，从高质量的狄拉克材料体系的制备、物性表征和器件应用探索三个方面开展实验研究。
我们的学术思路清晰，拟采取的技术途径可靠，只要我们把握住机会，以现有的工作为基础，选好切入点，可望做出突破性的创新工作来。
课题设置
本项目拟设置四个子课题。
课题设置围绕总体目标，以深入了解狄拉克量子体系中量子调控的基本物理作用原理和过程、体系制备和集成等为出发点，以发现量子新奇特征和应用性新现象和新效应为主线，展开对狄拉克体系量子态及其相互作用的理论、表征、输运、调控及器件设计等的密切合作研究。
课题1将集中于狄拉克量子体系中新奇量子现象的理论研究，解决狄拉克体系量子调控的机理方面的关键基础问题，为项目进行提供整体的理论协作和指导；课题2侧重于高质量拓扑绝缘体的制备和量子态的表征与调控；课题3针对石墨烯和低维碳纳米结构，发展所需的制备技术，同时为课题4提供样品。
课题2和课题3着重于两种典型的狄拉克量子体系的表征和输运性质的测量，为课题1在理论方面的研究提供实验验证与新效应。
项目中与器件物理相关的研究主要由课题4完成。
基于以上想法，设置课题如下：
课题1：
狄拉克费米子系统新奇量子现象的理论研究
主要研究内容：
研究各种狄拉克量子体系（拓扑绝缘体，石墨烯等）的量子态及调控输运机制，发展符合实际情况的理论模型及其精确计算方法并结合第一原理、动力学计算模拟，阐明狄拉克量子体系中的微观结构特征和量子约束效应与其物理性质（如电-声子互作用和光学过程特性）的关联，探讨电场、磁场、超导等对体系中电子态、电子-声子散射、输运行为的调控作用。
从理论上阐明拓扑表面态的新奇物性，如SdH振荡的拍频现象和Aharonov-Bohm效应。
探索拓扑绝缘体的热输运及热电性质对体系尺度和结构缺陷的依赖关系，寻找提高ZT的途径。
与实验相结合，研究基于拓扑绝缘体和石墨烯的量子器件原理。
预期目标：
本课题将为其它3个课题提供理论支持。
同时，结合实验工作，从理论上弄清典型狄拉克量子体系中的电子-电子关联、电子-声子相互作用、外场与尺寸效应等对狄拉克费米子体系的电子和自旋性质、输运行为的影响，提出调控能带、自旋结构、拓扑性质和器件设计的思路，为新型纳电子学、新能源器件的应用提供新的思路和设计。
承担单位：
清华大学、中科院半导体所
课题负责人：
段文晖教授
主要学术骨干：
朱邦芬院士、李树深研究员、李京波研究员、朱嘉麟教授
经费比例：
18.25%
课题2：
拓扑绝缘体量子态的研究
主要研究内容：
制备各种高质量的拓扑绝缘体薄膜并将拓扑绝缘体薄膜和磁性、超导、介电等材料结合在一起。
将采用MBE、化学气相沉积、溶液化学合成、以及溶剂辅助剥离等方法来制备拓扑绝缘体低维材料。
在超高真空环境下在拓扑绝缘体表面实现绝缘磁性薄膜生长，并对磁性进行控制和表征，研究磁性薄膜在拓扑绝缘体表面的磁畴形成情况，研究由磁性结构带来的新现象。
并发展不破坏拓扑绝缘体基本性质的表面上制备超导结构的方法，研究超导电子对在拓扑绝缘体表面的渗透和扩散，研究探测和调控Majorana费米子的实验方法。
利用原位的表面敏感的输运测量技术，实现对表面拓扑态中电子的电学性质测量，并探索用外场调节拓扑绝缘体的输运性质。
预期目标：
掌握最佳拓扑绝缘体的生长条件和工艺，实现高质量本征拓扑绝缘体的可控制备。
在此基础上，在拓扑绝缘体的表面生长各种电极以及制备基于拓扑绝缘体的磁性薄膜、超导体异质结和超晶格结构。
实现表面拓扑态和输运的原位测量，为拓扑绝缘体的器件应用奠定基础。
承担单位：
上海交通大学、清华大学
课题负责人：
钱冬研究员
主要学术骨干：
薛其坤院士、高春雷研究员、刘灿华研究员、葛惟琨教授
经费比例：
32.75%
课题3：
石墨烯和低维碳纳米结构的新奇量子现象研究
主要研究内容：
采用CVD生长、析出生长以及外延生长的办法，制备宏观均匀、厚度精确可控的石墨烯样品，并研究不同生长方法的内在机理。
同时发展完善石墨烯的可控剪裁和表面化学修饰方法，通过对石墨烯进行表面、边界的化学修饰来实现对石墨烯能带与电学性质的有效调控。
包括利用微加工技术图案化剪裁石墨烯得到不同宽度的石墨烯纳米带，研究光催化切割石墨烯的反应机理、切割效率与精度。
发展石墨烯表面化学修饰的谱学检测方法，利用拉曼、红外、光电子能谱、扫描隧道显微镜/扫描隧道谱等分析手段，研究剪裁、化学修饰后石墨烯的微观形貌、电子结构和物理化学性能之间的关系，以及量子效应对于化学修饰的调控作用。
在室温或低温条件下，研究在外界磁场或电场中，狄拉克费米子的相干现象，测量石墨烯材料的最大相位相干长度。
构造少层石墨烯结构和单层石墨pn结，研究基底材料对石墨烯中载流子密度的调制，探索通过选择性改变石墨烯的费米能级从而调制载流子性质的途径。
预期目标：
通过研究石墨烯的可控宏量生长、剪裁加工调制能带结构、分子水平的化学修饰以及新奇量子现象，揭示与石墨烯相关的物理、化学和材料领域相关的基本科学问题。
全面掌握制备高质量石墨烯样品的工艺技术，发展出一系列对石墨烯进行原子尺度剪裁和表面化学修饰的有效途径，以达到对其电学性质的准确控制。
发展石墨烯可控转移技术，在此基础上制备出有特殊功能的石墨烯低维结构，发展调控其载流子性质和输运特性的方法。
，
承担单位：
北京大学、浙江大学
课题负责人：
张艳锋研究员
主要学术骨干：
何丕模教授、鲍世宁教授、张寒洁副教授、谢芹工程师
经费比例：
17.5%
课题4：
基于Dirac费米子系统的新型器件的物理原理研究与应用探索。
主要研究内容：
在拓扑绝缘体的表面生长各种电极以及制备基于拓扑绝缘体的异质结和超晶格结构。
探索通过掺杂不同元素、控制缺陷浓度和种类、施加不同栅极电压，调控拓扑绝缘体的能带和自旋结构、载流子浓度和拓扑性质的途径。
将各种本征和掺杂后的拓扑绝缘体低维材料（薄膜或纳米带）用于场效应晶体管纳米器件和霍尔器件的构筑，研究其电子传输性能和电磁性质。
研究拓扑绝缘体表面上各种纳米结构，特别是磁性和超导结构的局域电子性质与量子现象，探索它们和拓扑绝缘体表面态的耦合和相互作用。
利用石墨烯可控转移技术和石墨烯的化学修饰和剪裁，发展性能可重复的石墨烯器件的加工与组装方法；把碳纳米管和石墨烯结合起来，利用石墨烯做互连线，碳纳米管做沟道，发展碳基纳电子器件及集成电路。
预期目标：
全面掌握通过掺杂、表面和界面的修饰和栅压来调控拓扑绝缘体的能带结构、自旋结构、电学性质和拓扑性质的有效方法。
从实验上实现拓扑绝缘体与各种电极的耦合和制备功能性异质结构。
制备出以单壁碳纳米管为沟道，石墨烯为互连的全碳纳电子器件。
实现对沟道中载流子类型的控制，制备出逻辑器件原型。
实现具有一定功能的基于狄拉克量子系统的量子低能耗器件，如电子器件、自旋电子器件，并应用到磁电、热电、光电、磁光等器件中。
承担单位：
清华大学、北京大学
课题负责人：
陈曦副教授
主要学术骨干：
梁学磊教授、彭海琳副教授、张留碗教授、赵永刚教授
经费比例：
31.5%
四、年度计划
研究内容
预期目标
第
一
年
采用MBE、化学气相沉积、溶液化学合成等方法，在多种衬底上制备各种高质量的拓扑绝缘体薄膜。
研究生长的动力学，寻找最佳生长衬底、条件和工艺，实现高质量本征拓扑绝缘体的可控制备。
研究拓扑绝缘体中的各种本征缺陷和掺杂对拓扑性质的影响，探索调节拓扑绝缘体的拓扑电子态结构方法。
研究电-声子互作用对拓扑绝缘体表面无能隙电子态的稳定性的影响。
探索利用热裂解法、偏析生长法和化学气象沉积法在半导体和金属衬底上制备高质量石墨烯的方法，并发展石墨烯可控转移技术，为石墨烯器件加工与组装奠定材料基础。
探索石墨烯中缺陷行为和化学吸附效应，分析石墨烯剪裁和加工的反应机制。
制备出高质量的拓扑绝缘体和石墨烯低维材料，了解其生长机理，表征其微观形貌、电子结构和质量。
在绝缘衬底上制备出拓扑绝缘体和石墨烯，结合理论工作确定调制石墨烯能隙和输运性质的一些关键因素。
阐明拓扑绝缘体中的电子-声子相互作用对无能隙的边界态的影响，了解拓扑绝缘体中的本征缺陷和掺杂机制。
获得磁性拓扑绝缘体和超导拓扑绝缘体薄膜，在实验上找到调节载流子浓度和极性的可控方法。
第
二
年
结合MBE、ARPES以及输运测量，系统研究Bi2Te3、Bi2Se3、Sb2Te3等拓扑绝缘体低维材料的物性。
研究在拓扑绝缘体薄膜表面生长各种电极以及制备基于拓扑绝缘体的异质结和超晶格结构，并从理论上研究其电子和输运性质及其它量子现象。
研究掺杂对电子结构的影响，分析拓扑绝缘体与磁体、超导体界面的物理性质，研究如何在拓扑绝缘体和磁性薄膜之间构筑绝缘过渡层。
基于光催化反应破坏石墨烯二维平面共轭结构，发展石墨烯的可控剪裁和能带调控，并探讨基于石墨烯的纳电子器件的工作原理。
结合理论研究，开展石墨烯在金属衬底上的生长以及相关低维纳米结构的制备和原子尺度的精确表征。
初步开展低维Dirac系统热电效应的研究。
制备出拓扑绝缘体/绝缘铁磁层异质结构、石墨烯/金属磁性纳米粒子异质结构，从理论和实验上研究其电子性质及其调控。
提出利用掺杂不同元素、控制缺陷类型和浓度等调控拓扑绝缘体和石墨烯能带结构和费米面的方案。
确定磁性颗粒在拓扑绝缘体表面的磁结构，阐明不同磁畴对于拓扑绝缘体表面电子态的影响，理解表面量子霍尔效应。
提出石墨烯表面控制生长、可控剪裁的新方法。
通过对制备出的拓扑绝缘体和石墨烯材料的研究，弄清其特殊结构和电子性质。
提出低维Dirac系统中热导的计算方案。
第
三
年
通过掺杂、控制缺陷浓度和种类、表面修饰、改变衬底等方法，调控拓扑绝缘体材料能带结构，实现其在普通绝缘体和拓扑绝缘体之间的转变。
发展在薄膜表面形成超导层的方法，研究超导和拓扑绝缘体薄膜界面的超导近邻效应。
通过栅压等方式改变拓扑绝缘体化学势和载流子浓度，调控其自旋劈裂和拓扑性质，并从理论上研究其物理机制。
研究拓扑绝缘体的热输运及热电性质对组分、结构缺陷的依赖关系。
研究石墨烯的共价化学修饰，分析表面修饰后的形貌和电子结构。
从理论上研究基于拓扑绝缘体低维材料和基于石墨烯的量子器件自旋和电子的输运规律及电-声子互作用的影响，解释和指导实验工作。
从实验上弄清楚超导近邻效应在拓扑绝缘体系统中的可行性。
通过近邻效应或者表面掺杂在拓扑绝缘体表面实现超导态。
明确界面、衬底和电极等对Dirac系统电子性质的影响，明确拓扑绝缘体与普通金属之间的可控转变的机制。
寻找两种以上能够实现对于石墨烯进行共价和非共价化学修饰的有机分子，并对于修饰的结果进行充分的形貌和电子结构的精确表征。
用多种手段对有特殊功能的Dirac材料进行研究和表征，提出一些器件设计或调控方案。
第
四
年
发展基于扫描探针的真空原位微区四探针输运性质测量方法，研究拓扑绝缘体表面拓扑态中电子的输运特性。
给拓扑绝缘体耦合上各种电极，研究量子自旋霍尔效应、以及自旋和电子输运规律，将本征和掺杂后的拓扑绝缘体低维材料用于场效应晶体管和霍尔器件的构筑。
研究体态绝缘低维材料的电磁特性，考察拓扑表面态的新奇物性，研究拓扑绝缘体的光学性质以及决定其ZT的各种因素。
发展具有新颖电子学特性的石墨烯无机或有机复合体系，从理论和实验两方面研究其表/界面性质,实现在原子尺度的形貌和电学特性的精确表征，探讨微观结构和外场等对其电子和光学性质的影响。
确定制备的拓扑绝缘体的本征输运性质，找到调控传导性质的合适方法。
提出通过光学办法来测量Helical边缘态自旋流的方案。
利用非线性Thomas-Fermi效应导致的石墨烯不同层数的电势差异，获得石墨烯表面吸附分子所产生的特殊吸附和扩散行为。
有效调控Dirac费米子的基本特性，发现一些Dirac材料在电荷或自旋器件、磁电和光电器件方面的应用。
第
五
年
将磁性薄膜、超导薄膜和拓扑绝缘体三者相结合，制备保持拓扑绝缘体特征属性的多层膜，研究Majorana费米子产生的最佳实验条件。
进一步寻找新型拓扑绝缘体材料，探索可能的各种量子信
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