拓扑绝缘体表面态调控第一性原理的研究

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1、学校代码10530学号201099100068分类号O469密级博士学位论文拓扑绝缘体表面态调控的第一性原理研究学位申请人刘文亮指导教师钟建新教授学院名称材料与光电物理学院学科专业凝聚态物理研究方向计算凝聚态物理二零一三年六月四日ModulationonSurfaceStatesofTopologicalInsulators:First-principlesCalculationsCandidateWenliangLiuSupervisorProf.JianxinZhongCollegeFacultyofMaterial&

2、PhotoelectronicPhysicsProgramCondensedMatterPhysicsSpecializationComputationalCondensedMatterPhysicsDegreeDoctorofPhilosophyUniversityXiangtanUniversityDateJune4,2013湘潭大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本

3、文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湘潭大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日湘潭大学博士学位论文摘要本文采用基于密度泛函理论

4、的第一性原理方法，从理论上研究了拓扑绝缘体材料表面态的相关性质,为设计纳米尺度的物性调控提供了有益的理论指导和依据，得到了如下主要研究成果：1.应变引起的拓扑相变。基于第一性原理计算，我们研究了具有各向异性相互作用的Bi2Se3类材料的拓扑相变。通过施加不同的应变来改变Bi2Se3类物质中的相互作用，我们发现QL内的横向相互作用对它们的拓扑相影响很小，而QL间的纵向相互作用能够有效的调制它们的拓扑相。在我们研究的这类材料中，施加的纵向应变对它们的影响是非均匀的，即在QL内与QL间引起的相互作用效果不同。我们的研究表明决定B

5、i2Se3类材料拓扑相的自旋轨道相互作用主要来至于QL间相互作用。Sb2Se3的QL间距比Bi2Se3大，自旋轨道相互作用弱，前者是拓扑平庸的，后者是拓扑非平庸的。这使我们弄清楚了为什么具有同样晶体结构，且都含有重元素、小带隙的Sb2Se3和Bi2Se3的能带存在拓扑结构上的差别。我们提出了通过应变调节这类材料的拓扑相的方法，发现通过施加c轴方向的纵向压应变减小Sb2Se3的QL间间距，增大自旋轨道耦合强度，使得它由普通绝缘转变成拓扑绝缘体；而施加纵向拉应变可以增大Bi2Se3的QL间间距，减弱自旋轨道耦合强度，使Bi2S

6、e3由拓扑绝缘体转变成普通绝缘体。类似的相变情形也发生在两类材料的薄膜上。2.拓扑绝缘体薄膜的表面和界面尺寸效应。基于范德瓦尔斯修正的密度泛函理论计算，我们研究了1QL～6QL厚度的拓扑绝缘体Bi2Se3和Bi2Te3薄膜的表面和界面效应。我们的计算表明，薄膜表层QL间间距弛豫显著，达到20%；内层QL间距弛豫不明显。随薄膜厚度增加，QL间间距逐渐趋于块体值。对于厚度较小的Bi2Se3薄膜（2QL～4QL），存在明显的表面态带隙，随厚度的增加薄膜的表面态带隙逐渐减小并最终闭合，这与实验观测符合的很好。我们还研究了石墨烯衬底

7、对Bi2Se3薄膜表面态的影响，发现衬底会诱导显著的Rashba劈裂，随厚度增加劈裂效果越明显，并且与无衬底的情形相比，狄拉克点相对于费米能级发生了移动。Bi2Te3薄膜有相对较小的QL间间距弛豫效应和较强自旋轨道耦合作用，2QL的薄膜已经开始显现出无能隙的拓扑表面态，与实验观测一致。3.半导体衬底对拓扑绝缘体表面与界面态的调控。目前，由于拓扑绝缘体的费米能级难以调控至狄拉克点，它的许多重要且新奇的表面电子与自旋输运性质尚未在实I拓扑绝缘体表面态调控的第一性原理研究验中得到观测。从实验的迫切需要出发，以Bi2Se3和Bi2

8、Te3为对象，采用半导体异质节能带调整理论和第一性原理计算，研究常规半导体硅和砷化镓与拓扑绝缘体表面和界面态的作用，寻找调节拓扑绝缘体费米能级至狄拉克点的关键参数。通过第一性原理计算，我们研究了半导体对拓扑绝缘体表面与界面效应。首先，我们计算了不同厚度的拓扑绝缘体薄膜和半导体衬底的功函数。我们的计算发现