二维拓扑绝缘体电子结构的第一性原理研究

发布时间：2021-08-17 21:54

　　二维拓扑绝缘体是拓扑绝缘体的一个重要分支,它不仅具有区别于传统绝缘体的独特的物理性质,相对于近年发现的三维拓扑绝缘体也具有独特的优势,在电子器件的制造和创新中具有重大的应用前景。因此,寻找具有实用价值的二维拓扑绝缘体具有重大的现实意义。人们利用第一性计算原理在理论上预测出了许多二维拓扑绝缘体材料,但是由于大部分难以在实际中实现,我们仍需要寻找更易于在实验中实现的大间隙拓扑绝缘体。因此,本文的主要工作就是通过在VA族元素上吸附过渡金属元素得到能够在实际中应用的大间隙拓扑绝缘体。我们在单层蓝磷上吸附Mo原子和W原子,并施加适当的应力。通过HSE的计算得到吸附Mo原子的蓝磷的拓扑带隙为94meV,吸附W原子的蓝磷的拓扑带隙为218meV;通过对砷烯,锑烯,铋烯吸附Os原子,在GGA的计算下我们得到了约为200meV带隙的拓扑绝缘体,由于GGA通常会低估带隙,我们合理推测这一系列的材料是具有大于200meV反转带隙的拓扑绝缘体。我们通过分析轨道分裂机制,对上述二维拓扑绝缘体的拓扑绝缘性机理进行了深入分析。 

【文章来源】：苏州大学江苏省 211工程院校

【文章页数】：62 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

图１．］二维材料家族表格［２］??

第一章绪论?二维拓扑绝缘体电子结构的第一性原理研究??１．２．３二维ＶＡ族元素简介??ａ?富５?ｐ?卞??８睡邏獨??■嘗＿??图１．２二维ＶＡ族元素同素异形体的各种结构，其中具有五种典型的蜂窝结构（ａ，?ｐ，Ｙ，５，?ｓ）和四种??非蜂窝结构（Ｃ，ｔｉ，０，ｉ）［１０］。??二维ＶＡ族元素（磷，砷，锑，铋）作为黑磷的同族元素具有不同的晶格构型，??这取决于它们原始的体态结构。图１．２展示了二维ＶＡ族元素不同的单层晶格结构，??其中，黑磷的晶格构型为正交结构的ａ型。作为黑磷的同素异形体，其他形式的单层??磷烯如卩型的蓝磷，Ｙ型的磷烯和Ｓ型的磷烯也相继被报道［１１，１２］。单层蓝磷和单层黑??磷都是最常见的同素异形体，且具有与石墨烯类似的六角屈曲结构，它已经被报道可??以在金的１１１表面上生长［１３］。近两年来，作为磷一族的元素，单层的砷、梯、铋也??引起了物理，化学及材料学家的关注。对于它们来说，不仅是在自然界中，对应的层??状体块结构主要是以Ｐ型的存在比较稳定，单层砷烯、锑烯和铋烯同素异形体，所有??相应的（３相也都具有最低的能量。因此，本文主要研究ｐ构型的单层蓝磷及与其同族的??单层结构（下文如不做特别标注所有的结构均为该结构）。??４??

二维拓扑绝缘体电子结构的第一性原理研究?第一章绪论??．痛??Ａｒｍｃｈａｉｒ?Ｚｉｇｚａｇ??图１．３黑磷和蓝磷的晶格结构的俯视图和正视阌，其中不同颜色的磷原子代农磷原子不在同－层??［６］。??由于二维ＶＡ族元素的晶格结构和电子特性互相类似，我们以蓝磷为例来展示??二维ＶＡ族元素的基本性质。蓝磷的磷原子以共价键的形式连接成类似石墨烯的六??方晶格结构（如图１．３），原子在上下两层上的分布均匀，侧Ｉｆｌ丨丨？．类似于锯齿型。由??于其对称的结构特性和键长，蓝磷在热力学的环境卜＇也相当稳定。由Ｔ结构的不??蓝磷也表现出与黑磷不同的电子性质，例如中．层蓝磷Ｈ有史宽的电子能隙（Ｉ）ＦＴ卜??约为２．０ｅＶ）［丨１］。图１．４为杂化泛喊（ＨＳＥ０６）卜计算的ＶＡ族儿素的电子能带结构，??在图屮我们町以发现除蓝磷外，砷烯、锑烯、铋烯也及现出一定大小的电子能隙，这??使得它们能较好的丨、ｖ：用ｒ半导体领域，光电领域等。??ｐ－ｐ?ｐ－Ａｓ?ｐ－Ｓｂ?ｐ－Ｂｉ??２．６２?２．４９?２．２８?＾０．９９?＾??「?ｍｋ?ｒ?ｒ?ｍ?ｋ?ｒｒ?ｍｉｃ?ｒｒ?ｍ?ｋ?ｒ??图１．４杂化泛函（ＨＳＥ０６）下计算的?＇．维ＶＡ族元素的能带结构［９｜??二维ＶＡ族元素作为？个二维休系，其表面积和体积比始终大ｊ＇？体块的比表面??积，因而对外来的原有较岛的化学活性，可以通过原子吸附［１４－１５］、外加电尝??５??


本文编号：3348575