二维Kagome晶格Zn2N3中量子反常霍尔效应的第一性原理研究

作     者：李明星 

作者单位：西南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈洪

授予年度：2023年

学科分类：07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 0702[理学-物理学] 

主      题：二维材料 居里温度 陈数 量子反常霍尔效应 

摘      要：量子反常霍尔效应自实现以来便受到了研究者的广泛关注,其独特的无能量耗散手性边缘态被认为是推进低能耗自旋电子元器件发展的关键角色。掺杂工艺带来的磁性分布不均匀导致拓扑绝缘体BiTe、BiSe仅能在30 m K以下的温度实现量子反常霍尔效应。时至今日,在实验上观测到量子反常霍尔效应的最高温度仍没超过2 K,这对后续的研究以及应用无疑带来了巨大的阻碍。在这样的背景下,找到更多高实现温度的量子反常霍尔效应材料是相当有意义的课题。以某元素单质构成类石墨烯结构的方式发现了许多拓扑非平庸材料,如著名的硅烯和锗烯等等,与C原子同周期的N原子则因为无法形成稳定的类石墨烯结构而被排除在此方式之外。那么能否给N原子提供一个合适的“支架迫使它形成稳定的类石墨烯结构进而产生拓扑性质呢?为了探究这种方式的可行性,本文提出了一种二维Kagome晶格ZnN,将类石墨烯结构的N原子镶嵌在由Zn原子组成的稳定“支架中,并采用密度泛函理论结合紧束缚模型计算了ZnN的电子结构、磁性性质以及拓扑性质。主要的研究内容与计算结果如下:首先,完全松弛的ZnN晶体结构具有P6m3对称性,其晶格常数为a=b=6.45(?),声子谱上并没有发现虚频,表明ZnN具有良好的动力学稳定性。其次,能带结构显示,在不考虑自旋轨道耦合时,自旋向下通道拥有3.75 e V的大带隙,而自旋向上通道则在费米能级附近呈现线性色散形式,且在费米能级处形成一个W点。通过对分轨能带以及电荷分布情况的研究,我们发现Zn原子用离子键把N原子紧紧相连,而N原子的P轨道则形成了供电子高速移动的π键,这与石墨烯形成线性色散的机制如出一辙。进一步考虑自旋轨道耦合的影响后,发现在外尔点处打开了约4.3 me V的微小带隙。与此同时,磁性相关的计算结果表明,此体系为铁磁基态且具有垂直于面内的磁矩。随后,基于海森堡模型的蒙特卡洛模拟估算出ZnN的居里温度约为168 K。在由自旋轨道耦合产生的带隙与面外磁矩的共同作用下,体系将会进入拓扑非平庸态。最后,为了验证体系的拓扑结构,通过与PBE能带相互拟合的方式,最局域瓦尼尔函数被构建出来以计算关键的陈数与量子反常霍尔电导,求得的陈数与量子反常霍尔电导分别为1和e/h。此外,独特的手性边缘态用构建表面格林函数的方式给出,结果表明陈数、电子反常霍尔电导、手性边缘态均能一一对应且逻辑自洽,因此ZnN的拓扑性质是真实可靠的,利用合适的“支架原子迫使N原子构成稳定的类石墨烯结构并以此产生拓扑性质是可行的,ZnN的提出不仅扩充了量子反常霍尔体系的材料库,还为如何探寻新型拓扑材料提供了一条可选的思路。