压力下Bi2Te3和Sb2Te3中电子拓扑转变的第一性原理研究

摘要

Sb2Te3和Bi2Te3作为传统的热电材料一直是人们的研究热点。最近有报道指出，在压力作用下 Bi2Te3材料会发生电子拓扑转变，这又引发了新的研究热潮。电子拓扑转变可以极大的改变半导体材料的宏观性能；研究电子拓扑转变的判定、形成原因以及其与宏观性质的相互关系，对理解和调制材料的电子结构特性以及开发新型功能材料都有着极其重要的意义。目前，研究人员借助多种方法（等结构相变、输运性质、热电性质等）研究Sb2Te3和Bi2Te3材料在压力条件下的电子拓扑转变现象。然而，对于如何判定电子拓扑转变以及电子拓扑转变怎样改变宏观性能等问题，迄今都没有一个合理的解释，阻碍了人们对于这一领域的认知。为了解决上述问题，本文运用第一性原理计算方法，从外界作用导致的应变入手，考察原子间键长、键角、原子有效电荷、能带结构等微观电子性质与外加压力的关系，找到了一种可以预测电子拓扑转变的有效手段，揭示了电子拓扑转变与宏观性能之间的关联性，探索了宏观输运性能变化的微观机制，为Sb2Te3和Bi2Te3材料的电子拓扑转变的进一步研究提供理论支持。
　　本研究主要内容包括：⑴在常压至6GPa的静水压下对Sb2Te3晶体的晶胞参数、原子间键长、键角、Bader有效电荷以及能带结构进行了模拟。发现了2.5 GPa下Sb2Te3的晶胞参数以及 Bader电荷的反常现象。借助 Bader有效电荷讨论了晶胞畸变与原子间相互作用的关系。通过能带结构的计算，发现了Sb2Te3材料的价带顶位置在2.5 GPa前后发生移动。结合Bader电荷分析的结果和微观能带结构随压力的变化情况，证明了低掺杂浓度下Sb2Te3晶体在压力作用下的电子拓扑转变现象，揭示了电子拓扑转变发生时电子态密度剧烈的重新排布，提出了使用Bader有效电荷分析作为预测电子拓扑转变的新手段。⑵模拟了常压至6 GPa的静水压下Bi2Te3晶体的晶胞参数、相邻原子层间距、原子间键长以及键角。发现Bi2Te3晶体的a轴和c轴均与电子拓扑转变现象有关。通过对电荷密度分布以及 Bader有效电荷的计算，找到了电子拓扑转变发生时电荷密度分布的变化规律，发现了晶格畸变是由电子拓扑转变发生时原子间相互作用的剧烈变化导致的。讨论了电子拓扑转变对 Bi2Te3材料的能带结构和带边有效质量的影响。计算了不同压力下 Bi2Te3晶体的霍尔系数、电导率、电子热导率以及赛贝克系数。结合能带结构以及带边有效质量的计算结果，解释了电子拓扑转变发生时，输运性质反常的原因来自于电子拓扑转变导致的价带极值点有效质量的反常。⑶模拟了Bi2Te3单分子层结构在拉伸和压缩情况下的晶胞参数、原子间键长和键角，发现了在单轴应力下 Bi2Te3单分子层结构中相邻原子层的相对移动。结合 Bader有效电荷讨论了应力对原子间相互作用的影响。借助能带结构的计算，发现了在应力作用下单分子层结构价带顶的迁移以及其由间接带隙半导体到直接带隙半导体的转变。通过 Bader电荷以及价带边在应力作用下的反常行为，预测了Bi2Te3单分子层结构在应力作用下的电子拓扑转变现象。⑷提出了以Bader电荷分析作为电子拓扑转变发生的辨别依据；给出了Bi2Te3类材料在发生电子拓扑转变时，电荷密度重新再分布的路径，并从带边有效质量的角度解释了电子拓扑转变与宏观性质的关联；发现 Bi2Te3单分子层结构在应力作用下会发生间接带隙到直接带隙半导体的转变，并指出这种单分子层结构是具有很大潜力的功能材料。

目录

第1章 绪论

1.1 课题研究的背景和意义

1.2 电子拓扑转变理论

1.3 Sb2Te3和Bi2Te3晶体中电子拓扑转变的研究现状

1.4 本论文的主要研究内容

第2章 压力下Sb2Te3晶体电子拓扑转变的第一性原理研究

2.1 引言

2.2计算方法的选择

2.3压力作用下Sb2Te3晶体的结构优化

2.4 Bader电荷分析和能带结构

2.5 范德瓦尔斯相互作用对于Sb2Te3晶体和电子结构的影响

2.6 本章小结

第3章 压力下Bi2Te3晶体的电子拓扑转变及其输运性质研究

3.1 引言

3.2 Bi2Te3晶体建模及计算参数选取

3.3 Bi2Te3晶格参数优化结果

3.4 Bi2Te3晶体的电子结构

3.5 Bi2Te3晶体在压力作用下的输运性质

3.6 本章小结

第4章 Bi2Te3单分子层结构在外应力下的电子拓扑转变研究

4.1 引言

4.2 Bi2Te3单分子层结构建模及计算参数

4.3 应力作用下Bi2Te3单分子层的晶格结构

4.4 应力作用下Bi2Te3单分子层的Bader电荷和能带结构的变化

4.5 本章小结

结论

论文创新点

展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和专利

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致谢

个人简历