拓扑半金属材料的第一性原理研究

发布时间：2020-06-06 00:30

【摘要】：不同于之前发现的一些材料体系,目前探索的拓扑绝缘体是一种新的材料,它拥有奇异的性质,比如该材料的体态是有能隙的,然而它的表面态却展示出奇异的金属性质。这类材料的金属一样的表面态在受到时间反演对称性保护的状态下,在即使在非磁杂质散射的情况下也依旧能够稳定存在。金属表面态独特的性质在理论计算和实验观测方面已吸引了极大的关注,不仅仅因为理论上的重要性,也因为它拥有巨大的应用前景。近些年,这种拓扑性质也被扩展到了拓扑半金属领域,主要包括狄拉克和外尔半金属。在大多数狄拉克或外尔半金属中导带和价带交叠在动量空间的一点。例如目前非常火的两类材料Na_3Bi和Cd_3As_2,这两个拓扑狄拉克半金属材料都已经被实验方面的科研工作者所证实。不过,在节点线半金属中,这些靠近费米能级的能带交叠点形成了闭合的线或环。许多的材料已经被提出是节点线半金属,包括多层的石墨烯,反钙钛矿结构的Cu_3PdN化合物等等。这样的节点线半金属态目前已经科研工作者用角分辨光子能谱在PbTaSe_2等材料中观测到。除上面的材料外,节点线结构也在光子晶体和自旋液体中被发现。它们拥有有趣的物理性质,包含鼓膜一样的表面态,独特的朗道能级,长程库伦相互作用等等。这些性质打开了一条通向高温超导的重要通道。拓扑节点线半金属还会形成一系列的转化。它会在自旋轨道耦合的作用下转变成三维拓扑绝缘体,狄拉克和外尔半金属。例如CaTe是个节点线半金属,当考虑自旋轨道耦合时,它会转变成一个狄拉克半金属。再对它施加适当的应变,它会从狄拉克半金属转化成一个强拓扑绝缘体。近些年,节点线半金属这些新奇的物理性质在物理学领域吸引了极大的研究兴趣,让人们去探索和发现新奇的费米子。在本篇论文中,基于第一性原理计算和有效模型分析我们,聚焦在节点线半金属和狄拉克半金属,研究它们新奇的物理性质。本论文包括以下内容:1我们通过基于全相对论性的第一性原理计算和有效的模型分析,认真研究了层状材料XIn_2P_2(X=Ca,Sr)的拓扑性质。能带反转能够被应变诱导,而不是依靠自旋轨道耦合,形成了一个位于k_z=0平面的圆环,它受到时间反演对称性和滑移面对称性的保护。当考虑自旋轨道耦合,节点线圆环被打开带隙,这个节点线半金属会演变成一个拓扑绝缘体。我们的研究是很有意义的,从新的方向和视角探究了节点线半金属的形成。2通过第一性原理计算并且考虑电子自旋和轨道耦合,我们发现三维化合物BaGaSnH是一个拓扑狄拉克半金属。在考虑自旋轨道耦合的情况下,一对狄拉克点在动量空间位于(0,0,±0.45)的位置。非常巧合的是我们在费米能级上发现了狄拉克费米子,这个发现意味着实验观测到狄拉克费米子将会相对简单。同时,这个狄拉克半金属态对应变是敏感的,它可以诱导这个化合物从狄拉克半金属态转变到平庸的半导体态。3通过第一性原理计算,我们发现当不考虑自旋轨道耦合时化合物PbO_2是一个拓扑节点线半金属。nodal-line圆环之所以可以稳定存在主要是被时间反演和空间反演对称性所保护。在三维布里渊区中,围绕Γ点有两个nodal-line圆环,两个圆环彼此正交。这是不同于之前的发现的节点线半金属,它们拥有一个或三个圆环。我们也计算出了该化合物100和001方向的鼓膜状的表面态。当电子的自旋和轨道耦合作用被考虑,这个材料将不再是半金属,而是会打开一个极小的能隙,转变成一个拓扑绝缘体。因此我们的发现对实验探究节点线半金属的存在提供了一个良好的平台。
【图文】：

用来描述三种物质态的图。顶图：最左边描述了普通的绝缘态中电子地运态的电子能带结构，占据态价态和非占据态导带直接有一个能隙是的价：左边描述处于强磁场下的二维量子霍尔态中的电子在洛伦兹力下同样不同于绝缘态情况的是在体系边缘处会发生电子运动的跳跃行为，所以态；右边表示了量子霍尔态的电子结构中类似绝缘态情况在占据的价态体能隙，但是不同之处是在能隙之中存在着一个边缘态，它将导带和价旋霍尔态，自旋相反的电子走在各自不同方向的通道上，但是总电流为文献[27]。反常霍尔态们来介绍一般的反常霍尔效应。1881年, 霍尔效应第一次被Edw铁, 钴,镍等铁磁性材料进行试验观测时发现的这种奇异的物理个问题，就是根本不需要在外加磁场的条件下进行对霍尔效应磁性材料中出现。这是由于样品本身具有长程的铁磁序, 这样

的杂质的作用、声子的散射作用给忽略掉，认为它们不会对该效应产生影响效应的出现完全是因为该材料系统本身具有的一种的本征性质。另一类是外是指外界的条件导致该效应的出现。例如 Smit 等人提出了反常霍尔效应的kew scattering)机制[35]，和 1970 年 Berger 提出的边跳(side jump)机制[36]，外系统的杂质和缺陷有关。尽管这两类机制的争论还一直持续着，但是到 20自旋电子学的研究有了新的发展，，引起人们的关注。认为自旋轨道耦合作用的时间反演对称性才导致的反常霍尔效应。并且理论工作也逐渐完善，贝里性质也息息相关，它会导致反常霍尔效应在该材料中出现，所以应该说它是制。 通过对 Sr2RuO3系统[37]及金属 Fe[38]中的反常霍尔效应进行的定量的第算研究, 都证实了这种内禀机制的主导作用。随后越来越多的实验与理论研这种基于贝里相位的内禀机制的正确性。这种内禀机制对于我们后面将要讨反常霍尔效应至关重要。
【学位授予单位】：河南师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB30

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