拓?fù)浣^緣體及半金屬的第一性原理研究
本文選題：拓?fù)潆娮硬牧?/strong> 切入點(diǎn)：二維拓?fù)浣^緣體 出處：《中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院物理研究所)》2017年博士論文
【摘要】：近幾十年,拓?fù)潆娮硬牧项I(lǐng)域的發(fā)展十分迅速,成為凝聚態(tài)物理領(lǐng)域里的一個熱點(diǎn)話題。拓?fù)潆娮硬牧鲜菍哂蟹瞧接雇負(fù)潆娮咏Y(jié)構(gòu)的一類材料的統(tǒng)稱,按照具體的電子結(jié)構(gòu)特征可以分為拓?fù)浣^緣體、拓?fù)浒虢饘俸屯負(fù)涑瑢?dǎo)體等。拓?fù)潆娮硬牧弦蚴艿綄ΨQ性的保護(hù),所以它的一個非常重要的特點(diǎn)就是不受外界環(huán)境微擾的影響,這個特性也促使了拓?fù)潆娮硬牧显谖磥聿牧项I(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。在對拓?fù)潆娮硬牧系睦碚撗芯恐?第一性原理計(jì)算方法具有非常重要的地位。隨著第一性原理計(jì)算方法的發(fā)展,越來越多的拓?fù)潆娮硬牧媳焕碚擃A(yù)言,之后又有越來越多的拓?fù)潆娮硬牧显趯?shí)驗(yàn)上被制備和驗(yàn)證。在本論文的一系列工作中,我們主要利用第一性原理計(jì)算方法,得到了每一種材料各自的拓?fù)湫再|(zhì),也為實(shí)驗(yàn)工作提供了基礎(chǔ)與方向標(biāo)。首先,我們對一些理論知識及計(jì)算方法進(jìn)行了詳細(xì)的介紹,主要包括基于密度泛函理論的第一性原理計(jì)算、贗勢理論、Wannier函數(shù)計(jì)算方法和簡單的k·p模型分析方法。本論文的所有工作都是基于這些理論及方法進(jìn)行的。其次,我們成功預(yù)言了氧化物ZrSiO為三維弱拓?fù)浣^緣體,其單層結(jié)構(gòu)則為二維拓?fù)浣^緣體,并且我們發(fā)現(xiàn)具有相同晶體結(jié)構(gòu)的一系列材料WHM(W:Zr,Hf或者La;H:第四或第五主族元素;M:第六主族元素)也有與ZrSiO類似的電子結(jié)構(gòu)性質(zhì)。在不考慮自旋軌道耦合(SOC)時,二維拓?fù)浣^緣體ZrSiO的體能帶在費(fèi)米面附近形成閉合的nodal-line的形狀;當(dāng)加入SOC之后,nodal-line處會打開能隙,全局能隙能夠達(dá)到30meV。通過能帶投影分析,我們發(fā)現(xiàn)費(fèi)米面附近形成交叉的兩條能帶的主要成分是Zr的dx2-y2軌道和Si的px+py軌道。進(jìn)一步通過空間群不可約表示的分析,我們發(fā)現(xiàn)能帶的交叉是由滑移面對稱性保護(hù)的。除了 ZrSiO材料的理論預(yù)言,我們還與人民大學(xué)王善才教授實(shí)驗(yàn)組合作進(jìn)行了 WHM家族中另外一個材料ZrSnTe的實(shí)驗(yàn)研究。通過角分辨光電子能譜(ARPES)并結(jié)合第一性原理計(jì)算的方法,我們驗(yàn)證了層狀ZrSnTe確實(shí)具有二維拓?fù)浣^緣體的性質(zhì)。這一系列材料非常龐大,而且還與鐵基超導(dǎo)LiFeAs具有相似的晶體結(jié)構(gòu),因此我們或許可以從中找到拓?fù)渑c超導(dǎo)的結(jié)合性質(zhì),比如拓?fù)涑瑢?dǎo)體,所以值得進(jìn)一步的研究。然后,我們又預(yù)言了CaP_3一些列材料為拓?fù)鋘odal-line半金屬,它們需要忽略強(qiáng)度非常小的SOC效應(yīng)。這一系列材料單純的具有時間反演對稱性和空間反演對稱性,所以當(dāng)這兩個對稱性不受到破壞時,就會形成閉合能帶交叉環(huán)路的結(jié)構(gòu)。拓?fù)鋘odal-line半金屬的重要特征就是表面態(tài)為鼓膜狀的能帶,我們不僅通過wannier函數(shù)構(gòu)造哈密頓量得到了這樣的表面態(tài),還通過一個簡單的k·p模型更加簡潔有效的得到了交叉環(huán)路。當(dāng)考慮SOC時,環(huán)路打開能隙,CaP_3系列材料成為小能隙的強(qiáng)拓?fù)浣^緣體。最后,我們對本論文做了一個簡單的總結(jié),并對我未來的工作發(fā)展做了進(jìn)一步的展望。提出了發(fā)掘拓?fù)潆娮硬牧系囊粋�高效的方法:通過對材料基因庫的有效利用以及對拓?fù)潆娮硬牧系拿黠@特征參數(shù)的計(jì)算進(jìn)行高通量的搜索。這一方法加快了拓?fù)浣^緣體的發(fā)現(xiàn)與應(yīng)用,將會是未來拓?fù)浣^緣體及半金屬發(fā)展的一個重要方向。
[Abstract]:In recent years, the development of the field of topology of electronic materials is very rapid, become a hot topic in the field of physics. The topology of electronic materials is a general designation of a class of materials with non trivial topology of the electronic structure and electronic structure according to the characteristics of the concrete can be divided into topological insulator, topological semi metal and topological superconductors. Electronic materials protected by the topological symmetry, so a very important feature of it is not affected by external environment perturbation, this feature also contributed to the topology of electronic materials in the field of materials are widely used in the future. In the theoretical research on the topology of electronic materials, the first principle calculation method is very important position. With the development of first principle calculation method, the topology of electronic materials has been more and more theoretical predictions, then the topology more and more electronic materials are produced in the experiment Preparation and validation of a series of work. In this paper, we mainly use the first principle calculation method, the topological properties of each of the respective materials, but also for the experimental work provides the basis and direction. Firstly, we carried out a detailed introduction to the theory and calculation method, including calculation the first principle based on the density functional theory pseudopotential theory, Wannier function calculation method and a simple k p model analysis method. All the work of this paper is that based on the theories and methods. Secondly, we successfully predicted the oxide ZrSiO for three-dimensional weak topological insulator, the single layer structure for two-dimensional topological insulator, and we found a series of WHM materials have the same crystal structure (W:Zr, Hf or La; H: fourth or fifth main elements; M: sixth main group elements) also have electronic structure properties similar to ZrSiO. Without considering the spin orbit coupling (SOC), 2D topological insulator ZrSiO fitness zone formed closed nodal-line near the Fermi surface shape; after added SOC, nodal-line will open the gap, the global energy gap can reach 30meV. through the analysis of projection zone, we found near the Fermi level of the formation of two band the main component is Zr dx2-y2 cross orbital and Si px+py orbital. Through further analysis of space irreducible representations, we found that the cross band is composed of slip symmetry protection. In addition to the theoretical predictions of the ZrSiO material, we have with the people's University professor Wang Shancai made a combination of experimental WHM family in addition an experimental study on the properties of ZrSnTe. By angle resolved photoelectron spectroscopy (ARPES) combined with the method of first principle calculation, we verify the properties of layered ZrSnTe has 2D topological insulator. This A series of materials is very large, but also with the iron-based superconducting LiFeAs has similar crystal structure, so we may find the binding properties and superconductivity from topology, such as topology of superconductor, so it is worth further study. Then, we predicted the CaP_3 series of materials for the topology of nodal-line half metal, they need to ignore the SOC effect the intensity is very small. With time reversal symmetry inversion symmetry and the space of this series of simple materials, so when the two symmetry is not damaged, will form a closed loop band crossing structure. An important feature of nodal-line is topological semi metallic surface states for tympanic membrane shaped band, we not only by constructing the Wannier function Hamiltonian of surface states that are more concise and effective got cross loop through a simple k p model. When considering SOC, ring The road opened the gap, CaP_3 series materials become a strong topological insulator minigap. Finally, we make a brief summary of this paper, and for my future development is prospected. Propose an efficient method to explore the topology of electronic materials: calculated by effective use of the material gene base and obvious characteristic parameters on the topology of electronic materials for high flux search. This method can accelerate the discovery and application of topological insulator, will be an important direction for future development of the semi topological insulator and metal.
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院物理研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：O469
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，本文編號：1725377
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