sbgraphenesb异质结中z2拓扑相的第一性原理研究

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1、学校代码10530学号201330101099分类号O469密级硕士学位论文Sb/graphene/Sb异质结中Z2拓扑相的第一性原理研究学位申请人舒城指导教师彭向阳教授学院名称物理与光电工程学院学科专业物理学研究方向计算物理学二〇一六年五月十八日万方数据湘潭大学硕士学位论文FirstprinciplestudyofZ2topologicalphaseinSb/graphene/SbheterostructureCandidateChengShuSupervisorProfessorXiangyangPengCollegeSchoolofPhysicsandOpt

2、oelectronicsProgramPhysicsSpecializationComputationalPhysicsDegreeMasterofScienceUniversityXiangtanUniversityDateMay18th，2016万方数据湘潭大学硕士学位论文万方数据湘潭大学硕士学位论文摘要二维拓扑绝缘体已被大量研究。具有强自旋轨道耦合的二维材料，例如具有层状结构的二维Bi，Sb，Bi2Se3和Bi2Te3材料是拓扑绝缘体。相对于具有强自旋轨道耦合的二维材料，具有弱自旋轨道耦合的二维材料，包括石墨烯和硅稀，具有很高的电荷迁移率和热导。然而，它们的

3、自旋轨道耦合带隙太小，并不是拓扑绝缘体。因此我们结合类石墨烯材料的特性和拓扑绝缘体的独特性质，研究了如何在类石墨烯材料中实现非平凡的Z2拓扑相。在本文中，我们分别用具有强自旋轨道耦合作用材料Sb和Bi双层包夹石墨烯单层，试图在石墨烯中诱导出非平凡的Z2拓扑相。通过第一性原理计算，我们发现，石墨烯与Sb和Bi双层形成的异质结具有非常不同的性质。Bi/graphene/Bi体系没有带隙，不是拓扑绝缘体，而Sb/graphene/Sb体系有带隙，是拓扑绝缘体。对体系的差分电荷密度的分析表明，在石墨烯和磷族元素双层之间形成了一个极化场，拉低了石墨烯的能带。在Bi/grap

4、hene/Bi体系中，石墨烯的狄拉克点(DP)位于Bi双层的价带顶(VBM)以下，而在Sb/graphene/Sb体系中，DP位于Sb双层的带隙中。我们通过计算时间反演不变点处价带波函数的宇称得到了Z2指数，表明Sb/graphene/Sb体系为拓扑绝缘体，在石墨烯的狄拉克点处发生了能带翻转。我们进一步发现应变能够调控该体系的拓扑相，并且拓扑相变与Sb双层的厚度有关。我们的研究表明，通过近邻作用能够在石墨烯中诱导出非平凡的Z2拓扑相，但是成功的可能性取决于磷族元素双层带隙的大小和石墨烯狄拉克点相对于磷族元素双层能带的位置。当选取的强自旋轨道耦合材料具有足够大的带隙

5、时，石墨烯的狄拉克点始终位于其带隙中，就可能诱导出非平凡的Z2拓扑相。我们得到的结论有助于发现新的拓扑绝缘体以及在弱自旋轨道耦合材料中实现非平凡的拓扑相。关键词：第一性原理；石墨烯；拓扑绝缘体；拓扑相变I万方数据湘潭大学硕士学位论文AbstractThetwodimensional(2D)topologicalinsulators(TIs)havebeenthefocusoftheresearchrecently.Ithasbeenfoundthatthe2Dmaterialswithstrongspin-orbitcoupling(SOC),suchasBi,S

6、bbilayers,Bi2Se3andBi2Te3quintuplelayers,areTIs.IncomparisonwiththesestrongSOC2Dmaterials,2DmaterialswithveryweakSOC,includinggrapheneandsilicene,havemuchhigherchargemobilityandheatconductivity.However,theyhavetinySOCgapandarenotTIs.Therefore,combiningexceptionalpropertiesofgraphene-l

7、ikematerialswiththeuniquepropertiesofTIs,westudyhowtoobtainthenontrivialZ2topologicalphaseingraphene-likematerialsInthiswork,wetakegrapheneasanexampleandtrytoinducenontrivialZ2topologicalphaseingraphenebysandwichingitbetweenstrongSOCmaterials,BiandSbbilayers,respectively.Byperformingd

8、ensit