基于石墨烯组装的拓扑节线半金属的计算设计与性质研究

作     者：杨宇 

作者单位：内蒙古大学 

学位级别：硕士

导师姓名：宋铁磊

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：第一性原理计算 石墨烯片段 组装思路 节线半金属 费米速度 

摘      要：拓扑节线半金属因其可能存在的众多节线形状使其可能出现众多值得探索的拓扑相,同时其鼓面状表面态更是赋予其许多新奇的性质,因此设计新型拓扑节线半金属材料具有重要意义。然而纵观已有的拓扑节线半金属材料,它们往往都含有存在储量稀少、制备困难或者污染环境等问题的重金属元素,此外还有一些二维材料具有较为脆弱的节点和较高的能量,这些因素在一定程度上影响了它们的合成和应用,因此使用轻元素设计理想的三维拓扑节线半金属具有更现实的意义。石墨烯作为二维拓扑半金属领域的杰出代表,其被视为组装三维拓扑节线半金属的首选材料,因此如何基于石墨烯高效地组装理想的三维拓扑节线半金属成为一个非常有意义的问题。本文基于石墨烯片段提出了两种新型三维碳基拓扑节线半金属以及一种组装三维碳基拓扑节线半金属的思路,具体内容如下:(1)基于石墨烯片段,我们提出的一种新型三维碳基拓扑节线半金属Pm-C。第一性原理计算表明:Pm-C在能量、动力学、热学和力学等方面均具有稳定性,并且在其(010)面上具有两条对称的弧状节线以及鼓面状表面态;各向异性分析表明:除了个别节点外,在其他节点的不同6)路径上均可以观察到I型、II型和III型Weyl态的存在,并且它们表现出较强的各向异性。此外,其在沿高对称点Z→U的6)路径上出现了超过石墨烯的高达1.1×10m/s的最大费米速度。(2)接着,我们又预测了一种理想的新型三维碳基拓扑节线半金属Pmma-C。第一性原理计算表明Pmma-C具有良好的稳定性。电子性质分析表明:Pmma-C是一种具有较为理想的能量窗口的拓扑节线半金属,其节点分布形状为两条对称的弧状节线并且出现了鼓面状的表面态。此外其节线上的个别节点能够同时承载I型、II型和III型Weyl态并且这些节点也表现出各向异性。(3)然后,由于在能量稳定性、费米速度最大值以及各向异性等方面Pm-C均优于Pmma-C,因此我们在Pm-C的基础上,设计了一种基于石墨烯片段、石墨烯纳米带以及碳链组装系列三维拓扑节线半金属ZHGM-(m,n)的组装思路,并且以ZHGM-(2,4)、ZHGM-(4,4)、ZHGM-(6,2)和ZHGM-(6,4)作为代表讨论了其稳定性、电子性质和拓扑性质。在能量稳定性方面,ZHGM-(m,n)很好地继承了石墨烯优异的稳定性,并且随着原子数的增多,ZHGM-(m,n)的能量稳定性具有超过金刚石,媲美石墨的趋势;在电子性质和拓扑性质方面,ZHGM-(m,n)均具有两条对称节线和鼓面状的表面态。值得提出的是,根据石墨烯纳米带宽度n的不同,可以调控ZHGM-(m,n)系列结构在电子性质、节线形状和表面态等方面的性质。