Bi2Te3类拓扑绝缘体材料电子结构的第一性原理研究

论文摘要

拓扑绝缘体是最近几年凝聚态物理学中出现的一个新的研究领域，它是一种新型的量子物质态。在拓扑绝缘体中，电子能带的拓扑性质能够产生很多新奇的物性，使其很有希望应用于低能耗的自旋电子器件和容错量子计算中，而这两个领域的进展将有可能对信息技术产生革命性的影响。因此，拓扑绝缘体一经发现，便迅速引起了人们对拓扑量子物质态的研究兴趣。目前拓扑绝缘体实验研究方面遇到的问题是对拓扑表面态本征输运性质的实验验证。这主要是由于制备的拓扑绝缘体样品总是存在大量的本征缺陷，同时样品表面容易受到外界环境的影响，导致表面掺杂效应，从而引入了载流子，掩盖了拓扑表面态的电导特征。本论文主要围绕此问题，利用第一性原理计算方法，对两种Bi2Te3类拓扑绝缘体进行材料设计和改性，得到了一些有意义的结果，以期为拓扑输运实验研究时器件性能的改进起到理论指导作用。具体研究内容包括：1．采用基于密度泛函理论的投影缀加波赝势方法，研究了一种最近由理论预言且被实验验证的拓扑绝缘体新材料Bi2Te2Se薄膜的有限尺寸效应，证明了自旋轨道耦合效应对拓扑绝缘体材料Bi2Te2Se的电子结构具有重要影响，预测了该种材料的拓扑厚度极限为3QLs （Quintuple Layers）。由于该材料具有很高的体电阻，较少的的本征缺陷，因此我们认为由Bi2Te2Se薄膜制备的器件是测量拓扑表面态本征输运性质的理想平台。2．通过第一性原理计算，研究了S原子吸附在拓扑绝缘体Bi2Te3（111）面对其拓扑表面态的影响。文中首先讨论了Bi2Te3拓扑相变的机制，然后验证了由此相变导致Bi2Te3（111）面产生的拓扑表面态对非磁杂质的免疫能力。硫吸附后狄拉克锥型的表面态仍稳定存在，吸附体系的费米能级相对于狄拉克点随着吸附物S覆盖度的增加而逐渐上移。我们的理论结果为p型掺杂的拓扑绝缘体Bi2Te3的费米能级调控至拓扑传输区域提供了一种可行方案。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 量子霍耳效应与拓扑序
• 1.2 量子自旋霍尔效应与螺旋边缘态
• 1.3 三维拓扑绝缘体与表面态
• 2'>1.4 拓扑不变量 Z₂
• 1.5 研究方法和研究内容
• 第二章 理论基础和计算方法
• 2.1 多体问题
• 2.2 绝热近似和单电子近似
• 2.3 密度泛函理论
• 2.3.1 Hohenberg–kohn 定理
• 2.3.2 Kohn–Sham 方程
• 2.3.3 局域密度近似和广义梯度近似
• 2.4 布洛赫定理和超原胞模型
• 2.4.1 布洛赫定理
• 2.4.2 平面波基矢
• 2.4.3 超原胞模型
• 2.5 赝势方法
• 2.6 VASP 程序包
• 2Te₂Se 薄膜电子结构的研究'>第三章 拓扑绝缘体 Bi₂Te₂Se 薄膜电子结构的研究
• 3.1 引言
• 3.2 模型和方法
• 3.3 结果和讨论
• 3.4 结论
• 2Te₃薄膜表面对其拓扑扑表面态的影响'>第四章 S 吸附在 Bi₂Te₃薄膜表面对其拓扑扑表面态的影响
• 4.1 引言
• 4.2 模型和方法
• 4.3 结果和讨论
• 2Te₃晶体的拓扑相变'>4.3.1 Bi₂Te₃晶体的拓扑相变
• 2Te₃（111）面的吸附'>4.3.2 S 原子在 Bi₂Te₃（111）面的吸附
• 4.4 结论
• 第五章 总结和研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间的科研成果