Bi基低维材料电子结构与电场行为的模拟研究

摘要

拓扑绝缘体是一类具有奇异性质的新的量子态，它们具有许多新奇的性质（如无耗散的能量传输等），极有可能是实现量子计算的关键环节之一。然而由于它们的拓扑性质依赖于其内部的时间反演对称性，因此容易受到各种外部条件的影响（如杂质、缺陷、电场等）。其中，由于在材料应用过程中无可避免的会引入电场环境，使得电场对拓扑性质的影响显得尤为重要。在本文中将通过基于密度泛函理论的第一性原理方法研究掺杂和外部电场环境对拓扑绝缘体的电子结构的影响。
　　本文以Bi基低维材料为主，通过运用以密度泛函理论为基础的第一性原理计算模拟了Bi1-xSbx、Bi2Se3、(Bi0.5Sb0.5)2Se3和Bi2Te2Se的晶胞模型和电子结构，通过对比模拟结果与实验的结果确定了模型的可靠性;通过比较Bi2Se3、(Bi0.5Sb0.5)2Se3和Bi2Te2Se的晶胞模型、能带结构和态密度，分析Sb和Te原子的引入对Bi2Se3晶体结构和电子性质的影响。
　　本文还模拟了当Bi1-xSbx、Bi2Se3、(Bi0.5Sb0.5)2Se3和Bi2Te2Se处在不同强度的电场环境中时它们的能带结构和能态密度的变化，发现随着电场强度的增加，它们的拓扑性质会受到不同程度的影响:Bi1-xSbx受电场影响最明显，其拓扑性在电场中会完全消失;对比Bi2Se3、(Bi0.5Sb0.5)2Se3和Bi2Te2Se在电场中的能带结构，发现Bi2Se3受电场的影响最大，其拓扑性质会随着电场的增加而迅速消失;(Bi0.5Sb0.5)2Se3在低电场中能保留非平庸的拓扑表面态;Bi2Te2Se的电子结构受电场的影响比Bi2Se3的单QL模型要小，但是其拓扑性易受到电场强度的影响，会随着电场强度的增加而逐渐消失。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1量子霍尔效应简介与发展

1．1．1整数量子霍尔效应

1．1．2分数量子霍尔效应

1．1．3量子自旋霍尔效应与量子反常霍尔效应

1．2拓扑绝缘体

1．2．1二维拓扑绝缘体

1．2．2三维拓扑绝缘体

1．3 Bi基拓扑绝缘体的研究现状

1．4第一性原理简介和相关软件介绍

1．4．1 VASP程序包

1．4．2 Materials Studio简介

1．5本论文的主要研究内容与结构

1．5．1论文内容

1．5．2论文结构

第2章相关理论介绍

2．1密度泛函理论简介

2．1．1绝热近似

2．1．2单电子近似

2．1．3 Hohenberg-Kohn定理

2．1．4 Kohn-Sham方程

2．1．5交换相关能量泛函

2．1．6密度泛函理论的研究进展

2．2能带计算方法

2．2．1平面波方法

2．2．2紧束缚近似方法

2．2．3正交化平面波方法

2．2．4赝势方法

2．3本章小结

第3章Bi1-xSbx的电子结构与电场行为研究

3．1引言

3．2 Bi1-xSbx模型晶胞的建立与结构优化

3．3 Sb含量对Bi1-xSbx电子结构的影响

3．4电场对Bi1-xSbx电子结构的影响

3．5本章小结

第4章Bi2Se3类拓扑材料的电子结构与电场行为研究

4．1引言

4．2 Bi2Se3的电子结构与电场行为研究

4．2．1单QL结构的Bi2Se3的电子结构

4．2．2电场对Bi2Se3电子结构的影响

4．3(Bi0．5Sb0．5)2Se3电子结构与电场行为研究

4．3．1(Bi0．5Sb0．5)2Se3的电子结构

4．3．2电场对(Bi0．5Sb0．5)2Se3电子结构的影响

4．4 Bi2Te2Se的电子结构与电场行为研究

4．4．1 Bi2Te2Se的电子结构

4．4．2电场对Bi2Te2Se电子结构的影响

4．5本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢