半金属和拓扑金属材料的第一性原理研究

摘要

半金属铁磁体被预言是最具有潜力的下一代自旋电子学器件，因为其拥有一个关键的性质：只有一个自旋方向的电子参与导电。自从1983年de Groot研究小组在理论上预言了NiMnSb的半金属性以来，越来越多的研究者们把注意力放在了半金属材料的研究上。而拓扑材料的研究更是活跃，从第一个拓扑绝缘体的发现至今，拓扑的概念深入到凝聚态物理学的许多领域，推动了物理学的发展。从二维拓扑绝缘体到三维拓扑绝缘体，再到有机无机拓扑绝缘体，拓扑光子学，拓扑半金属，以及拓扑超导体，各个研究方向齐头并进。　　第二章，介绍在实际处理量子多体问题中用到的密度泛函理论和拓扑能带理论。密度泛函理论通过一些合理的近似使得我们能够处理多电子体系，实际应用中主要来计算晶体的电子结构。密度泛函理论，也就是第一性原理，本文就是通过第一性原理计算晶体的所有电子结构，并在此基础上进行进一步分析。另外还介绍能带拓扑理论，通过定义能带的拓扑结构来确定整个体系（材料）的拓扑性质。　　第三章我们通过第一性原理来研究半Heusler化合物LiXGe（X=Ca，Sr和Ba）的稳定性，电子结构以及磁性质。根据计算结果，我们可以发现LiXGe (X= Li，Sr 和Ge)都有半金属的性质。而且体系原胞的磁矩都为整数1 μB ，满足Slater-Pauling规则:Mtot =(8?Ztot)μB。当晶格常量分别在-3.6%到21.4%,-3.8%到16.1%和-1.2%到14.7%范围内变化时，LiXGe (X=Ca，Sr和Ba)的半金属性都能够保持。它们的半金属性消失的临界压强分别是3.55，3.22 和0.63 GPa。在固定体积的情况下，当c/a 分别在0.90到1.07，0.87到1.14和0.96到1.04范围内变化时，，LiCaGe，LiSrGe和LiBaGe可以保持其半金属性。另一方面这三个化合物的声子谱都没有虚频，表明它们的结构都是稳定的。对于这三个化合物来说，具有半金属性的立方相具有比四方相更好的稳定性。通过观察计算出来的弹性常量(C11，C12 and C44)和力学性质(体弹模量B，剪切模量G，杨氏模量E和各项异性参数A)，所有的化合物都可以在在自然环境中稳定存在。并且这三种化合物对单向的抗性比对纯剪切变形的抗性强，并且在自然界中显示出优异的延展行为。　　第四章，我们主要讨论一个新型的拓扑金属MoC。主要计算了MoC的能带结构图和表面态，对体系中特殊简并点(Nexus Fermions)的k · p模型进行推导并讨论，发现该体系在k=π面上的镜面陈数是1,也就是说有一条表面态穿过费米能级。并解释了该体系中的表面态是受体系的对称性保护的。第五章，总结了现在的工作并展望了今后的工作。

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