半金属材料及拓扑材料的第一性原理研究

发布时间：2019-04-21 09:26

【摘要】：半金属材料及拓扑材料的研究是21世纪初凝聚态物理中非常有活力的研究领域,它们都在自旋电子学领域中扮演着重要的角色。自从1983年deGroot研究小组在理论上预言了NiMnSb的半金属性以来,越来越多的研究者把注意力放在了半金属材料的研究上。而拓扑材料的研究更是活跃,从第一个拓扑绝缘体的发现至今,拓扑的概念深入到凝聚态物理学的许多领域,推动了物理学的发展。从二维拓扑绝缘体到三维拓扑绝缘体,再到有机无机拓扑绝缘体,拓扑光子学,拓扑半金属,以及拓扑超导体,各个研究方向齐头并进。第二章,主要介绍了密度泛函理论和拓扑能带理论。密度泛函理论是一个非常广泛应用的量子力学方法,主要用来对具体材料的电子结构性质的计算。本文所有的计算都是基于第一性原理方法,即密度泛函理论。此外也介绍了能带拓扑理论,和通过能带的计算得到材料拓扑性质的方法。第三章,主要是用第一性原理方法研究CsCl结构的RbS和KS化合物的半金属性质。通过计算化合物总能量与晶格常量的关系,确定了RbS的平衡晶格常量是4.02(?),KS的平衡晶格常量是3.84(?)。通过化合物的体能带图和体态密度图分析,发现RbS和KS都具有半金属性质。并且原胞磁矩都为整数1μB。RbS的能带带隙为4.287eV,KS的能带带隙为4.395eV。大的能带带隙保证了化合物在室温环境下,还能保持半金属性质。所以,RbS和KS在室温下可能还保持半金属性。由于在实际应用的时候,材料都是以薄膜的形式应用,所以最后还研究了这两个化合物的(111)表面的性质,发现这两个化合物以(111)面切出的薄膜同样具有半金属性。第四章,我们基于第一性原理研究了Sr_2XMoO6(X=Ge,Si)的电子结构和热力学性质。分别用了LSDA方法和LSDA+U方法计算。计算结果表明,用LSDA方法计算时,Sr_2GeMoO6就已经是一个半金属铁磁体,Sr_2SiMoO_6是一个普通铁磁体。用LSDA+U方法计算时,它们两个都是半金属铁磁体,总磁矩都是2μB。最后用准谐Debye模型计算了它们的体弹模量、等体热容量、Debye温度以及热膨胀系数等热力学量。进而对该材料有进一步的认识。第五章,我们用第一性原理计算预言了化合物Bi_2OSe_2是一个三维强拓扑绝缘体。由于强的自旋轨道耦合效应,能带在Γ点有一个能级反转,并且带隙大小为0.126eV。最后为了进一步验证化合物的拓扑性质,我们计算了它的表面态密度,发现在表面Γ′附近,存在一个Dirac锥。第六章,同样基于第一性原理计算,预言了非中心对称化合物NbIrTe4是一个Weyl半金属。在不考虑自旋轨道耦合的情况下,就已经在布里渊区kz=0的平面存在8个Weyl点,手性相反的两个Weyl点的距离由能级反转的程度决定。当考虑了自旋轨道耦合效应时,在整个布里渊区会存在16个Weyl点。实际上这16个Weyl点中只有3个不可约的Weyl点,其中2个不可约的Weyl点属于Type-IIWeyl点。最后还计算了(001)面的表面态密度,并发现了费米弧。第七章,总结了现在的工作并展望了今后的工作。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：O469

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本文编号：2462056