拓扑绝缘体Bi2Se3中层堆垛效应的第一性原理研究

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1、学校代码10530学号201010071148分类号O469密级公开硕士学位论文拓扑绝缘体Bi2Se3中层堆垛效应的第一性原理研究学位申请人陈艳丽指导教师彭向阳教授学院名称材料与光电物理学院学科专业凝聚态物理研究方向计算凝聚态物理二零一四年五月二十日万方数据ThestackingeffectsintopologicalinsulatorBi2Se3：afirst-principlesstudyCandidateYanliChenSupervisorProf.XiangyangPengCollegeFacultyofM

2、aterial&PhotoelectronicPhysicsProgramCondensedMatterPhysicsSpecializationComputationalCondensedMatterPhysicsDegreeMasterofScienceUniversityXiangtanUniversityDateApril8,2014万方数据湘潭大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经

3、发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湘潭大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日万方数据摘要拓扑

4、绝缘体（TI）作为一种全新的量子态，有很强的自旋轨道耦合作用(spin-orbitcoupling,简称SOC)。区别于普通绝缘体，其块体能带具有带隙而表面具有受保护的金属态。TI有着许多常规材料没有的奇特性质,在自旋电子学和量子计算中有重要应用。Bi2Se3s是重要的三维强拓扑绝缘体，和石墨烯一样是范德瓦尔斯层状材料，其堆垛顺序是可以改变的。最近的一系列实验证实改变三层石墨烯的堆垛顺序会引起系统的电学和光学性质的很大变化。同时堆垛变化会改变系统的对称性，由此可以产生新的性质。在论文中我们采用第一性原理计算方法研究了

5、具有不同五原子层(quintuplelayer，简称QL)堆垛的Bi2Se3块体和薄膜，研究系统的能带、拓扑相和自旋劈裂随堆垛变化，由此揭示出堆垛对拓扑绝缘体的调控机制。我们的研究主要包括以下两方面内容：1.Bi2Se3块体中的堆垛效应。我们研究了具有ABC、AAA和ABA堆垛的Bi2Se3块体材料。研究发现ABC和AAA堆垛具有中心对称性，具有相似的能带结构。AAA堆垛比ABC堆垛的Bi2Se3能带具有更大的带隙。而ABA堆垛不具有中心对称性，带隙变为间接带隙，并且带隙大幅减小，能带的形状也发生了很大变化。我们用加

6、SOC前后能带是否反转来判定不同堆垛系统的拓扑相，发现加SOC前后Γ点处的最高占据态的电荷由集中分布在Se原子变成了集中在Bi原子上,说明改变堆垛后体系仍为拓扑绝缘体。在ABA堆垛的能带中另一个显著不同是中心非对称性所导致的巨Rashba自旋劈裂，这将在自旋电子学中有重要应用。2.Bi2Se3薄膜中的堆垛效应。我们计算了具有ABC、AAA和ABA堆垛的厚度为3QL的Bi2Se3薄膜。发现具有中心对称的ABC和AAA堆垛的薄膜，在Г点的费米能级附近形成有带隙的Dirac锥。非中心对称ABA堆垛的Bi2Se3薄膜的能带在

7、Г点具有零间接带隙，且价带顶在Г点附近具有M形状。ABA的非中心对称性和自身的强自旋轨道耦合作用引起了巨Rashba自旋劈裂，并且通过施加沿c轴的应变，可以在大范围内有效调控自旋劈裂。关键词：拓扑绝缘体；拓扑相；自旋劈裂；第一性原理计算I万方数据AbstractTopologicalinsulators(TI)asanewkindofquantumstate,haveverystrongspinorbitcoupling(SOC)effect.Differentfromordinaryinsulators,aTIha

8、sabulkbandgapwhereasitssurfacehastheprotectedmetalstate.Becauseofitsmanynovelanddistinguishingpropertiesincomparisonwiththeconventionalmaterials,TIhaveimportantapplicationsi