三维碳、硼网络中的拓扑半金属

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1、学校代码10530学号201510121183分类号O469密级硕士学位论文三维碳、硼网络中的拓扑半金属学位申请人高炎指导教师陈元平教授学院名称物理与光电工程学院学科专业物理学研究方向计算物理二○一八年六月六日Topologicalsemimetalsinthree-dimensionalcarbonandboronnetworksCandidateYanGaoSupervisorProfessorYuanpingChenCollegeSchoolofPhysicsandOptoelectronicsProgramPhysicsSpecializationComputational

2、PhysicsDegreeMasterofScienceUniversityXiangtanUniversityDateJune6th,2018湘潭大学硕士学位论文摘要硼、碳元素由于其丰富的原子成键特征拥有大量的同素异形体结构。近年来，一些硼、碳同素异形体结构的成功制备更是吸引了人们的目光。譬如，多种二维硼烯结构和一些三维石墨烯网络结构先后被实验报道。另一方面，拓扑材料是目前另一个研究热点，各种零维点、一维线、二维面的拓扑半金属元素被相继提出并被实验验证。但是，目前提出的大部分三维拓扑材料包含质量较重、具有强自旋轨道耦合的元素，而对三维硼、碳结构的拓扑性质的研究还较少。本论文对三维

3、碳、硼材料的拓扑性质展开研究，提出新结构、发现新的拓扑元素和拓扑现象。本论文共六章。第一章，我们介绍了碳、硼材料的研究和发展，特别值得注意的是最近两个实验上已经制备的三维碳晶体结构。另外，也总结了拓扑半金属的研究和发展。第二章我们介绍了第一性原理理论及计算方法。第三章我们研究了最近发现的碳蜂窝（CHCs）结构的电子和声子输运性质。结果表明，这些碳网络是多孔的三重简并点拓扑金属，沿着碳蜂窝轴的方向有两种相互独立的电子输运通道。在这些碳网络中声子的输运也具有很强的各向异性。计算结果还表明这些多孔的碳网络具有很高的气体原子和分子存储容量，这与实验结果是一致的。第四章我们提出了拓扑节点环半

4、金属的分类，并以碳网络为例，通过能带色散的斜率说明这些拓扑节点环的完整分类可以在碳结构中存在。第一类节点环是由斜率符号相反的两条能带相交形成的第一类节点组成；第二类节点环是由斜率符号相同的两条能带相交形成的第二类节点组成；第三类节点环是在一个方向上是由第一类节点组成，而在与它垂直的方向上是由第二类节点组成。这些拓扑相在碳网络中可以通过应力作用相互转化。第五章提出了一个新的三维硼结构3D-α硼，鉴定为拓扑节点链半金属。在动量空间中，六个节点线和环相互接触形成受镜面、滑移面和时空反演对称性保护的新颖纺锤状节点链。各向异性的节点链导致各种“鼓膜”表面态。另外，3D-α硼呈现出很好的稳

5、定性，因为它是由高稳定的α硼薄片堆垛形成的。第六章是我们对前面研究工作的总结，并对将来的研究工作进行了展望。关键词：第一性原理；三维碳网络；三维硼网络；拓扑半金属；拓扑节点线半金属；拓扑金属I湘潭大学硕士学位论文AbstractBoronandcarbonhaveabundantallotropesstructuresduetotheirrichatomicbondingcharacteristics.Inrecentyears,thesuccessfulpreparationofsomeboronandcarbonallotropeshasattractedmuchattent

6、ion.Forexample,avarietyoftwo-dimensional(2D)boronstructuresandsomethree-dimensional(3D)graphenenetworkstructureshavebeenreportedexperimentally.Ontheotherhand,topologicalmaterialsareanotherresearchhotspot.Topologicalsemimetalsofvariouszero-dimensionalpoints,one-dimensionallines,andtwo-dimension

7、alsurfaceshavebeenproposedandverifiedexperimentally.However,most3Dtopologicalmaterialsproposedtodateconsistofheavyelementswithstrongspin-orbitcoupling(SOC).Thestudyontopologicalpropertiesof3Dboronandcarbonstructuresisstillrare.Inthisthe