检索结果-内蒙古大学图书馆

物理学进展 2023年第2期43卷 25-40页

作者：陈家鑫陈明星湖南师范大学物理与电子科学学院长沙410081 物质微结构与功能湖南省重点实验室长沙410081 湖南师范大学低维量子结构与调控教育部重点实验室长沙410081

基于密度泛函理论的第一性原理方法已经成为人们研究材料结构、性质以及进行新功能材料设计的重要手段。对于掺杂和界面体系,人们常常需要使用超胞来描述。超胞的使用导致能带折叠,从而掩盖能带结构的重要特征,为人们分析掺杂和界面效... 详细信息

基于密度泛函理论的第一性原理方法已经成为人们研究材料结构、性质以及进行新功能材料设计的重要手段。对于掺杂和界面体系,人们常常需要使用超胞来描述。超胞的使用导致能带折叠,从而掩盖能带结构的重要特征,为人们分析掺杂和界面效应对材料能带结构的影响带来困难。本文概述了超胞导致的能带折叠现象,重点介绍了基于平面波和原子轨道的能带反折叠方法、声子能带反折叠方法及相关计算工具,给出了该方法在掺杂和界面体系电子、声子能带结构方面应用的例子,并对该方法进行了展望。

关键词：第一性原理计算能带反折叠能带结构掺杂界面

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过渡金属二硫化物/三卤化铬范德瓦耳斯异质结的反折叠能带

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物理学报 2022年第14期71卷 220-228页

作者：邓霖湄司君山吴绪才张卫兵长沙理工大学物理与电子科学学院柔性电子材料基因工程湖南省重点实验室长沙410114

过渡金属二硫化物MX_(2)/三卤化铬CrX_(3)组成的范德瓦耳斯异质结能有效操控MX_(2)的谷极化,在能谷电子学中有广泛的应用前景.本文结合第一性原理和k投影能带反折叠方法比较研究了MoSe_(2)/CrI_(3),MoSe_(2)/CrBr_(3)和WS_(2)/CrBr_(3)... 详细信息

过渡金属二硫化物MX_(2)/三卤化铬CrX_(3)组成的范德瓦耳斯异质结能有效操控MX_(2)的谷极化,在能谷电子学中有广泛的应用前景.本文结合第一性原理和k投影能带反折叠方法比较研究了MoSe_(2)/CrI_(3),MoSe_(2)/CrBr_(3)和WS_(2)/CrBr_(3)三种磁性范德瓦耳斯异质结的堆垛和电子结构,探索了体系谷极化产生的物理机理.计算了异质结不同堆垛的势能面,确定了稳定的堆垛构型,阐明了时间/空间反演对称破缺对体系电子结构的影响.由于轨道杂化,磁性异质结的导带情况复杂,且MoSe_(2)/CrI_(3)体系价带顶发生明显变化,不能与单层MX_(2)直接对比.而借助于反折叠能带,计算清晰揭示了CrX_(3)对MX_(2)电子结构的影响,定量地获得了MX_(2)的能谷劈裂,并发现层间距和应变可以有效调控能谷劈裂.当层间距减小到2.6Å时,AB堆垛的MoSe_(2)/CrI_(3)谷劈裂值可达到10.713 meV,是平衡结构的8.8倍,相当于施加约53 T的外磁场.通过k投影能带反折叠方法克服了异质结超胞电子结构不易分析的局限性,对其他磁性范德瓦耳斯体系的研究具有重要的借鉴意义.

关键词：能谷电子学异质结堆垛能带反折叠

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第一性原理计算的紧束缚模型方法发展及其在磁性拓扑材料中的应用

第一性原理计算的紧束缚模型方法发展及其在磁性拓扑材料中的应用

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作者：戴祖建中国科学技术大学

学位级别：博士

磁性拓扑材料作为拓扑材料的一个分支,可以实现多种新型量子态,如量子反常霍尔效应态和轴子绝缘体态。拓扑表面态是拓扑材料的重要性质之一,对其进行计算、测量、研究和调控,有助于深化对拓扑材料的理解。然而,当前在拓扑材料和拓扑表... 详细信息

磁性拓扑材料作为拓扑材料的一个分支,可以实现多种新型量子态,如量子反常霍尔效应态和轴子绝缘体态。拓扑表面态是拓扑材料的重要性质之一,对其进行计算、测量、研究和调控,有助于深化对拓扑材料的理解。然而,当前在拓扑材料和拓扑表面态的研究中仍面临诸多挑战。例如,在本征磁性拓扑材料MnBi2Te4的表面态研究中,理论预测与实验测量结果不一致。对于MnBi2Te4表面态是否存在能隙的争议,凸显了磁性与拓扑表面态之间复杂的相互作用。此外,当前实验中实现量子反常霍尔效应需要极低的温度,成为实际应用的重大障碍。因此,亟需找到具有较大体能隙的新型量子反常霍尔效应材料。在计算方法上,目前多采用通过构建体材料的最局域瓦尼尔函数并构建紧束缚模型,利用体-边对应关系来研究拓扑表面态性质。这种方法忽略了表面原子结构和电子态弛豫对拓扑表面态的影响。此外,掺杂、合金和表面磁无序体系的拓扑能带研究也很困难,主要原因是大体系的最局域瓦尼尔函数构建复杂,且大体系能带被折叠到极小的布里渊区内,难以与角分辨光电子能谱（ARPES）结果直接对比。为了解决现有理论分析方法、实验争议以及新材料预测中遇到的问题,本论文开展了以下三个方面的研究工作: 1.为研究磁性材料的能带结构及其输运性质,我们发展了基于数值原子轨道的第一性原理紧束缚哈密顿量方法,并开发了多种与能带拓扑性质相关的算法,包括能带反折叠、反常霍尔系数、反常能斯特系数、轨道磁矩等。目前,电子能带拓扑性质通常基于瓦尼尔函数的紧束缚模型来计算。由于基于数值原子轨道基组的紧束缚哈密顿量可以通过第一性原理软件ABACUS直接生成,免去了构建瓦尼尔函数的繁琐步骤,从而有助于材料的高通量计算。同时,原子轨道的优良局域性和对称性确保了计算的效率和物理性质的准确性。能带反折叠算法能够将超胞能带投影到任意定义的原胞空间,生成的谱函数结果可以直接与ARPES实验对比,为复杂系统的能带计算与分析提供了有力工具。我们改进了现有的能带反折叠方法,利用将原子轨道投影至平面波的技术,可以更加快捷、高效、精确地计算大体系超胞的能带反折叠谱函数。 2.我们利用ABACUS软件结合能带反折叠算法研究了 MnBi2Te4材料不同磁态与拓扑表面态之间的相互作用,解释了理论与实验之间的争议。我们的计算结果表明,当体系从顺磁相转变为反铁磁相时,最高占据态和最低非占据态的能带出现了劈裂现象,与ARPES实验结果一致。进一步研究发现,由于最表面两层Mn原子磁性之间的竞争,MnBi2Te4的拓扑表面态可以存在几乎无能隙的状态,同时保持表面的铁磁性,解释了实验中无能隙态与铁磁性共存的现象。我们还发现,通过调控表面磁结构,可以为MnBi2Te4薄层表面态打开一个稳定且较大的带隙。 3.为了寻找新的量子反常霍尔效应材料,我们通过高通量搜索和计算发现,单层Ni2I2铁磁材料可能实现高相变温度的量子反常霍尔效应。我们研究表明,该材料具有接近室温的铁磁相变温度和良好的结构稳定性。通过计算其表面态、贝利曲率和电子输运性质,确定该材料为C=1的陈绝缘体相。其拓扑性质源于自旋轨道耦合下I原子的px/y与Ni原子的dxz/yz轨道在Г点发生反转,并伴随一个非常大的体能隙。最后,通过构建紧束缚模型计算四次旋转操作下的拓扑不变量,发现单层Ni2I2铁磁材料不仅是破坏时间反演对称性的陈绝缘体相,还具有四次旋转对称约束下的拓扑绝缘体相。综上所述,我们发展了基于数值原子轨道的拓扑能带算法,免去了构建瓦尼尔函数的繁琐步骤,这使得材料拓扑性质的研究更加便捷和高效。通过这些算法,我们解释了MnBi2Te4中几乎无能隙表面态与铁磁态共存的现象。此外,结合算法和高通量计算,我们发现了具有高相变温度和大体能隙的量子反常霍尔效应材料——单层Ni2I2。

关键词：第一性原理计算能带反折叠拓扑表面态陈绝缘体本征磁性拓扑绝缘体

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