發(fā)布時間：2020-06-10 05:42

【摘要】：拓?fù)浒虢饘俨牧鲜且环N新型的量子材料,在相對論量子力學(xué)、量子計算機等諸多物理學(xué)前沿研究領(lǐng)域中具有極大的應(yīng)用潛力,這也引起了眾多科研人員關(guān)注,關(guān)于這類材料的研究成為了目前凝聚態(tài)物理和材料學(xué)研究的熱門課題之一。這類材料在實驗上的觀測比較復(fù)雜,并且其特殊的量子態(tài)受實際電子結(jié)構(gòu)的影響往往更加難以觀測,這使得更多種類的拓?fù)浒虢饘俨牧嫌写话l(fā)掘。另一方面,為了得到更準(zhǔn)確的研究結(jié)果,關(guān)于拓?fù)浒虢饘俨牧系睦碚撗芯恳灿猩钊脒M行的必要。本文的主要內(nèi)容,就是通過第一原理計算方法,嘗試設(shè)計出更多種類的拓?fù)浒虢饘俨牧?并對它們的特殊性質(zhì)加以分析,分析工作主要集中在其拓?fù)浞瞧接沟碾娮咏Y(jié)構(gòu)及其可能引發(fā)的特殊物理性質(zhì)上。在此基礎(chǔ)上設(shè)計了幾種新的拓?fù)洳牧?包括大能隙拓?fù)浣^緣體材料M3Bi2(M= Ca,Sr,Ba),拓?fù)浣饘俨牧螻aBi,狄拉克節(jié)線半金屬材料鈹以及外爾鐵電半金屬材料HgPb03等。關(guān)于大能隙拓?fù)浣^緣體材料M3Bi2和拓?fù)浣饘俨牧螻aBi的研究工作,都來自于對鉍的二元系材料的探索。在拓?fù)涔?jié)點半金屬材料和拓?fù)浣^緣體材料中,拓?fù)浞瞧接沟牧孔討B(tài)需要由晶體中很強的自旋軌道耦合效應(yīng)來實現(xiàn),而金屬元素鉍是元素周期表中自旋軌道耦合效應(yīng)最強的穩(wěn)定元素。受到拓?fù)浒虢饘俨牧螻a3Bi的啟發(fā),嘗試通過第一原理計算結(jié)合高通量材料搜索計算的方法,對鉍與堿金屬、鉍與堿土金屬兩個二元體系進行材料搜索工作,計算得到的結(jié)構(gòu)的能帶然后深入分析其電子結(jié)構(gòu)中是否存在拓?fù)湫�。在完成整個計算的過程中,我們得到了上述的兩種拓?fù)洳牧�。金屬間化合物M3Bi2的組分只存在于早期的相圖中,在實驗上并沒有任何關(guān)于這種化合物晶體結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù),這里根據(jù)材料搜索計算得到的結(jié)構(gòu),使用第一原理計算的方法進行精確的結(jié)構(gòu)優(yōu)化,發(fā)現(xiàn)M3Bi2為菱方結(jié)構(gòu)。隨后我們對這種材料的電子結(jié)構(gòu)進行了精確的分析,發(fā)現(xiàn)這種材料為大能隙的拓?fù)浣^緣體,能隙高達0.31eV。而NaBi在1932年就己經(jīng)被實驗合成,為體心四方結(jié)構(gòu)的金屬材料,其電子結(jié)構(gòu)中每一處都具有贗能隙,具有拓?fù)浣^緣體的拓?fù)湫�。隨后的計算表明,NaBi同時具有超導(dǎo)電性和低晶格熱導(dǎo)。拓?fù)涔?jié)線半金屬與拓?fù)浣^緣體及拓?fù)涔?jié)點半金屬不同,其拓?fù)浞瞧接沟牧孔討B(tài)即拓?fù)涔?jié)線只能存在于自旋軌道效應(yīng)很弱的系統(tǒng)中。這意味著拓?fù)涔?jié)線半金屬材料只能由輕元素構(gòu)成,并且構(gòu)成拓?fù)涔?jié)線半金屬材料元素中價電子需要在常規(guī)化合價下形成對能帶的滿占據(jù)。只有這樣才能保證材料呈半金屬的態(tài),并且拓?fù)涔?jié)線會出現(xiàn)在費米能級附近。符合以上條件的材料,最簡單的就是輕堿土金屬的單質(zhì),尤其是最輕的堿土金屬單質(zhì)玻。通過計算金屬鈹?shù)碾娮咏Y(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn),金屬鈹確實具有狄拉克節(jié)線量子態(tài)。同時,在金屬鈹?shù)?0001)表面上,還存在著很多特殊的物理現(xiàn)象,包括偏離近自由電子近似模型的表面態(tài),巨大的弗里德爾振蕩,以及巨大的電聲耦合效應(yīng)等。這些現(xiàn)象自上世紀(jì)六十年代起就陸續(xù)的被觀測到,但這些特殊的物理現(xiàn)象產(chǎn)生的機理卻一直是懸而未決的謎題。由于金屬鈹中具有狄拉克節(jié)線量子態(tài),這種拓?fù)浞瞧接沟牧孔討B(tài)會在表面引發(fā)出一個拓?fù)浞瞧接沟墓哪畋砻鎽B(tài)。由于這種表面態(tài)并非普通的表面近自由電子,所以無法使用近自由電子近似模型來描述。進一步的計算表明,金屬鈹(0001)表面上的巨大的弗里德爾振蕩和電聲耦合效應(yīng)都與狄拉克節(jié)線量子態(tài)引發(fā)的拓?fù)浞瞧接沟谋砻鎽B(tài)有關(guān)。同時還完成了鐵電外爾半金屬材料HgPb03的設(shè)計工作。外爾半金屬是拓?fù)涔?jié)點半金屬的一種,其特點是導(dǎo)帶與價帶形成的交點上不包含自旋簡并,形成滿足外爾方程的外爾點。這種拓?fù)浞瞧接沟牧孔討B(tài)只會出現(xiàn)在包含強自旋軌道耦合效應(yīng)的系統(tǒng)中,并且要求外爾半金屬材料具有對稱性的破缺。我們這里選擇非中心對稱的外爾半金屬材料進行材料設(shè)計工作。除了外爾半金屬之外,還有一種半金屬材料也需要滿足不包含中心反演對稱性的條件,這種材料就是鐵電金屬材料。鐵電金屬材料一般為金屬氧化物,并且包含極化軸,可以實現(xiàn)鐵電相變。同時具備這兩種性質(zhì)的半金屬材料,可以在實現(xiàn)鐵電相變的同時實現(xiàn)拓?fù)湎嘧?是量子開關(guān)的優(yōu)良平臺。我們嘗試設(shè)計出這種材料,并且注意到了金屬氧化物HgPb03。這種氧化物于1973年首次被合成出來,但其晶體結(jié)構(gòu)中是否存在中心反演對稱性直到現(xiàn)在還存在爭議。我們通過第一原理計算進行分析,發(fā)現(xiàn)不存在中心反演對稱的結(jié)構(gòu)在基態(tài)上更穩(wěn)定,并且非中心對稱的HgPb03同時具有鐵電性和外爾點,正是嘗試尋找的鐵電半金屬材料。
【圖文】：

電子結(jié)構(gòu)本身為絕緣體，但是由于體材料具有非平庸的拓?fù)鋽?shù)，使得材料的表面逡逑上會出現(xiàn)拓?fù)浞瞧接沟谋砻鎽B(tài)，呈現(xiàn)出金屬態(tài)，而且這種拓?fù)浞瞧接沟谋砻鎽B(tài)受逡逑到材料拓?fù)湫缘谋Ｗo，十分穩(wěn)定。如圖１．２．邋１所示，在形成了表面金屬態(tài)的同時，逡逑拓?fù)浣^緣體中拓?fù)浞瞧接沟谋砻鎽B(tài)在表面上自旋分辨，具有狄拉克錐，可以形成逡逑量子自旋霍爾效應(yīng)［１３，邋１４］。這種特異的性質(zhì)使得拓?fù)浣^緣體材料的概念剛一提逡逑出，就吸引了眾多學(xué)者的關(guān)注。然而由于貝利相位本身并不具備明確的物理意義，逡逑這使得通過貝利相位定義的拓?fù)洳蛔兞客謴?fù)雜并且難以理解，而計算起來逡逑又十分復(fù)雜，使得關(guān)于拓?fù)浣^緣體的研究工作難以大范圍的展開。為了解決這一逡逑問題，著名學(xué)者Ｋａｎｅ和Ｍｅｌｅ提出了Ｚ２拓?fù)洳蛔兞浚郏保�，邋１５］，定義為時間反演算逡逑符矩陣的普法夫（Ｐｆａｆｆｉａｎ）在半個布里淵區(qū)內(nèi)的零值數(shù)�；谶@種方法，可以將布逡逑里淵區(qū)內(nèi)的奇點量化

電子結(jié)構(gòu)本身為絕緣體，但是由于體材料具有非平庸的拓?fù)鋽?shù)，使得材料的表面逡逑上會出現(xiàn)拓?fù)浞瞧接沟谋砻鎽B(tài)，呈現(xiàn)出金屬態(tài)，而且這種拓?fù)浞瞧接沟谋砻鎽B(tài)受逡逑到材料拓?fù)湫缘谋Ｗo，十分穩(wěn)定。如圖１．２．邋１所示，在形成了表面金屬態(tài)的同時，逡逑拓?fù)浣^緣體中拓?fù)浞瞧接沟谋砻鎽B(tài)在表面上自旋分辨，具有狄拉克錐，可以形成逡逑量子自旋霍爾效應(yīng)［１３，邋１４］。這種特異的性質(zhì)使得拓?fù)浣^緣體材料的概念剛一提逡逑出，就吸引了眾多學(xué)者的關(guān)注。然而由于貝利相位本身并不具備明確的物理意義，逡逑這使得通過貝利相位定義的拓?fù)洳蛔兞客謴?fù)雜并且難以理解，而計算起來逡逑又十分復(fù)雜，使得關(guān)于拓?fù)浣^緣體的研究工作難以大范圍的展開。為了解決這一逡逑問題，著名學(xué)者Ｋａｎｅ和Ｍｅｌｅ提出了Ｚ２拓?fù)洳蛔兞浚郏保�，邋１５］，，定義為時間反演算逡逑符矩陣的普法夫（Ｐｆａｆｆｉａｎ）在半個布里淵區(qū)內(nèi)的零值數(shù)�；谶@種方法，可以將布逡逑里淵區(qū)內(nèi)的奇點量化
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：O469

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本文編號：2705861