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微波超材料中光学节线半金属与狄拉克半金属共存的研究

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微波超材料中光学节线半金属与狄拉克半金属共存的研究

作者：杨杰湖南大学

学位级别：硕士

近些年来,拓扑半金属因其特殊的拓扑性质（无隙能带结构和费米弧等）引起了广泛的研究兴趣。基于在动量空间中简并形式的不同,拓扑半金属可被细分为外尔半金属、狄拉克半金属和节线半金属等。在光学领域,大多数研究只关注了单一拓扑半... 详细信息

近些年来,拓扑半金属因其特殊的拓扑性质（无隙能带结构和费米弧等）引起了广泛的研究兴趣。基于在动量空间中简并形式的不同,拓扑半金属可被细分为外尔半金属、狄拉克半金属和节线半金属等。在光学领域,大多数研究只关注了单一拓扑半金属的实现,而对于在同一体系中多种拓扑半金属的共存却鲜有研究。本文基于微波超材料,讨论了光学节线半金属与狄拉克半金属共存的实现,主要研究内容如下:首先,本文通过设计微波超材料结构单元实现了光学节线半金属,其在动量空间表现出链状的节线简并结构。所得到的链状节线简并由位于布里渊区6)平面与6)=±6)平面的节线链接在一点所形成,且不同平面内的节线简并受不同的镜像对称性所保护。紧接着,进一步计算了节线简并的贝利相位并探究了结构尺寸及介电常数对节线简并所在频率和位置的影响。随后,通过改变微波超材料结构的形状,并对结构参数进行调整,实现了光学狄拉克半金属与节线半金属的共存。在这一体系中,狄拉克点位于链状节线简并的交叉点上且受非中心对称性所保护,二者所在的频率十分接近,其共存状态比较理想。通过将结构单元沿方向堆叠15倍周期长度,节线简并无能隙体态和鼓膜状表面态在堆叠结构与空气的界面上被观测到。同时,通过分析狄拉克点的表面态特性,发现其展现出非平庸的(5拓扑性质。最后,基于近场扫描系统,提出了实验上的可行性方案及展望。本文的研究成果为探究多拓扑相系统以及不同拓扑相的联系提供有效的平台,也将为多功能集成光子器件的潜在应用提供方向。

关键词：拓扑相拓扑半金属节线半金属拓扑半金属超材料表面态

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

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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：杨宇内蒙古大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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。

关键词：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

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拓扑半金属表面态的输运特性

科学通报 2024年第1期69卷 68-79页

作者：郑悦陈伟南京大学物理学院固体微结构物理国家重点实验室南京210093 人工微结构科学与技术协同创新中心南京210093

拓扑电子体系是近年来凝聚态物理学的研究前沿,它以非平庸的体态拓扑以及奇异的表面态为主要特征.输运测量是研究拓扑电子体系最常用和最有效的手段之一,输运研究与新奇物理效应的探索以及电子器件相关应用都有密切的联系.基于拓扑绝缘... 详细信息

拓扑电子体系是近年来凝聚态物理学的研究前沿,它以非平庸的体态拓扑以及奇异的表面态为主要特征.输运测量是研究拓扑电子体系最常用和最有效的手段之一,输运研究与新奇物理效应的探索以及电子器件相关应用都有密切的联系.基于拓扑绝缘体的输运研究已经广泛地开展,其中的输运信号仅由拓扑表面态贡献;而拓扑半金属中体态和表面态共存,这在给输运研究带来复杂性的同时,也预示着更为丰富的物理现象有望被发现.大多数针对拓扑半金属输运性质的研究集中于其体态,而其表面态的贡献通常被认为小到可以忽略.需要指出,通过巧妙构筑输运器件结构,表面态可以贡献很强的输运信号并导致新奇而丰富的输运性质.本文介绍了若干典型拓扑半金属体系中表面态导致的新奇输运性质,包括拓扑节线半金属中鼓面表面态导致的共振自旋翻转反射及其输运信号,外尔半金属中费米弧表面态的奇异安德烈夫反射、法布里-珀罗干涉和门电压调控的栗弗席兹相变,以及这些效应对外场的奇特响应.本文介绍的研究成果为拓扑半金属表面态的探测与调控提供了新的思路.

关键词：节线半金属外尔半金属表面态费米弧量子输运

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拓扑节线半金属研究进展

中国科学：物理学、力学、天文学 2020年第9期50卷 3-16页

作者：张泽英付波涛余智明姚裕贵北京理工大学物理学院先进光电量子结构设计与测量教育部重点实验室北京100081 北京化工大学数理学院北京100029 四川师范大学物理与电子工程学院计算科学中心成都610068

拓扑量子材料包括拓扑绝缘体、拓扑半金属和拓扑超导体等,是现代凝聚态物理和材料科学的研究重点.本文旨在简要介绍近年来关于拓扑节线半金属材料的研究结果,并重点阐述本课题组在这一领域的最新研究进展.拓扑节线半金属主要可通过能带... 详细信息

拓扑量子材料包括拓扑绝缘体、拓扑半金属和拓扑超导体等,是现代凝聚态物理和材料科学的研究重点.本文旨在简要介绍近年来关于拓扑节线半金属材料的研究结果,并重点阐述本课题组在这一领域的最新研究进展.拓扑节线半金属主要可通过能带的简并和色散两个方面来进行分类.在能带的简并方面本文主要介绍不同对称性保护的节线半金属:在时间反演对称性存在的体系中由点式空间群和非点式空间群保护的节线半金属;在时间反演破缺体系中磁序和拓扑序耦合的节线半金属.在能带的色散关系方面,本文主要介绍具有高次色散的高阶节线半金属和由能带倾斜效应导致的第二类节线半金属.

关键词：拓扑半金属节线半金属第一性原理计算

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拓扑节线半金属ZrSiS的红外光谱研究

拓扑节线半金属ZrSiS的红外光谱研究

作者：侯延辉天津理工大学

学位级别：硕士

拓扑量子材料有很多分类,包括拓扑绝缘体、拓扑超导体和拓扑半金属等。在这些材料中节线半金属比较特殊,通过打破时间或空间反演对称性,能够使节线半金属转变成狄拉克半金属和外尔半金属等其他半金属,可以将拓扑节线半金属视为其他半金... 详细信息

拓扑量子材料有很多分类,包括拓扑绝缘体、拓扑超导体和拓扑半金属等。在这些材料中节线半金属比较特殊,通过打破时间或空间反演对称性,能够使节线半金属转变成狄拉克半金属和外尔半金属等其他半金属,可以将拓扑节线半金属视为其他半金属的母体材料,所以对拓扑节线半金属的研究就尤为重要。红外光谱是一种能够准确测量材料中电荷激发的实验技术,可以为我们提供丰富的电荷动力学和能带结构信息。红外光子将占据态的电子激发到未占据态,能清楚地得到自由电子的光学响应,同时也能探测到材料体态内电子的跃迁行为,得到相应的能带结构和能隙特征。在本论文中,运用化学气相输运法(CVT)制备了ZrSiS单晶。直流输运测量证明该材料是一种良好的金属,具有极低的电阻率,是已知的硫化物中电阻率最低的。通过红外光谱技术对拓扑节线半金属ZrSiS进行了系统的光学研究,在零频附近ZrSiS各温度点的反射率都近似等于1.0,表明其具有金属性,在60 cm到25000 cm的较宽频率范围内具有温度依赖。并且证明了ZrSiS具有与石墨烯相似的准二维平坦光电导率,同时还指出在高频区12000 cm、14200 cm、16900 cm波数附近三个带间跃迁在能带结构中对应的能带跃迁位置。

关键词：红外光谱节线半金属 ZrSiS 反射率光电导

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二维金属氮化物的磁性拓扑半金属性质研究

二维金属氮化物的磁性拓扑半金属性质研究

作者：李欣阳济南大学

学位级别：硕士

随着各种电子器件的微型化发展不断逼近物理极限,后摩尔时代新型电子器件的设计方法成为了此类研究的一大热点。其中,磁性拓扑半金属材料因存在百分之百的自旋极化率和无耗散的弹道运输特性,有望能够在未来自旋电子学和量子计算机方面... 详细信息

随着各种电子器件的微型化发展不断逼近物理极限,后摩尔时代新型电子器件的设计方法成为了此类研究的一大热点。其中,磁性拓扑半金属材料因存在百分之百的自旋极化率和无耗散的弹道运输特性,有望能够在未来自旋电子学和量子计算机方面实现突破性进展,从而掀起了凝聚态物理学和材料科学学者的研究热潮。虽然磁性拓扑半金属材料领域方兴未艾,但可应用的候选材料依然十分匮乏,亟待进一步开发研究。本文主要内容就是根据第一性原理计算设计了四种二维金属氮化物中的磁性拓扑半金属材料,并对其晶格结构、电子性质和拓扑结构等性质进行了分析研究,揭示了产生拓扑结构的原理,并通过施加应变、电场等外部调控手段实现对其物理性质的调控,为磁性拓扑半金属材料的发展和高效多功能自旋电子器件的设计应用提供了新思路。我们的主要研究结果如下:首先,节线态半金属(Nodal-Line Half-Metal)是一种新的费米子,是Dirac半金属和Weyl半金属之外的一种费米子,在凝聚态物理中具有相当独特的量子性质。基于第一性原理计算,我们预测二维蜂窝状AgN薄膜是一种比较理想的节线态半金属材料,其具有良好的热力学和动力学稳定性。通过对其电子能带结构进行分析研究,我们发现位于费米面附近存在两个以Γ点为中心的同心节线态。考虑到自旋轨道耦合(SOC)的作用后,发现节线态结构对镜面反演对称性的保护很敏感:当自旋取向垂直于镜像平面时,节线半金属可以稳健存在;打破这种对称性后,即当自旋从面外旋转到面内时,其被调谐成了Weyl节点。此外,半金属性质和节线态电子结构可以在半导体六方氮化硼(h-BN)上得到很好的保持,使得二维AgN适合作为与节线态半金属相关的自旋电子器件研究。其次,基于第一性原理计算,我们提出在二维Honeycomb-Kagome过渡金属氮化物CdN薄膜中实现半狄拉克半金属(Half Dirac Semimetal)态,其半狄拉克半金属性对应变具有鲁棒性。蒙特卡罗模拟表明,CdN薄膜的居里温度T高达225K,远高于已报道的单层Cr I(T=45K)和CrGeTe(T=20K)。CdN的能带交叉在SOC作用下打开4.9me V的带隙,这为其带来了量子反常霍尔效应(QAHE),其特征是非零的陈数(C=1)和手性的边缘态。最后,我们使用紧束缚模型进一步阐明了半狄拉克锥的起源和拓扑非平庸的电子特性。本章研究结果表明,单层CdN有望成为探索新型二维半狄拉克态和QAHE绝缘体的候选材料,同时也进一步为设计出自旋电子学器件提供了可能。再次,寻找更多类型的能带反转诱导的拓扑态具有重要的科学和实验意义。我们基于紧束缚模型分析,提出了p和p轨道之间的能带反转可以在蜂窝晶格中产生拓扑相变的构想。我们设计了1T构型的二维Pb N薄膜,并在第一性原理的基础上发现了QAHE的存在,这表明了我们所给出的方案的基本物理机制在一定程度上是可以实现的。此外平均场计算方法估算居里温度T高达365K,Pb N薄膜在Γ点附近的能量简并点在SOC作用下打开67me V的带隙,这为其带来了QAHE,其具有非零陈数(C=1)和手性边缘状态的特征,最后我们研究了双轴应变对Pb N薄膜中量子反常霍尔效应的影响。最后,量子反常霍尔效应绝缘体是拓扑量子效应的关键材料,但由于正常金属电极和手性边缘通道之间的接触电阻被限制在一个最小值h/e上,低陈数(|C|=1)可能会对利用手性边缘通道输运的自旋电子学器件的进一步发展造成较大限制。在此,基于第一性原理计算和紧束缚模型,我们提出了在二维铁磁单层稀土金属二氮化物RN(R=Nd、Pr、Sm、Lu)中实现高陈数的QAHE。并且此QAHE是可以调谐的:将磁矩从面内转向面外时会使陈数由±1到±3转变,从而得到可以控制的拓扑相变。值得注意的是,当Nd N形成多层Nd N/BN/Nd N/BN/Nd N异质结构时陈数高达9,这是在已知的本征二维多层异质结中首次报道到的。这些发现为实现高陈数QAHE、开发多通道量子计算和大容量手性电路提供了新思路。

关键词：第一性原理节线半金属狄拉克半金属拓扑绝缘体量子反常霍尔效应高陈数

多重拓扑费米子共存的拓扑电子材料设计与开发

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多重拓扑费米子共存的拓扑电子材料设计与开发

作者：徐龙河北工业大学

学位级别：硕士

拓扑电子材料蕴含着多种类型非平庸费米子,具有丰富的物理特性包括高电子迁移率、手性反常、非平庸表面态、特殊磁、光响应等,在量子计算等领域具有重要应用前景。当前已被开发的拓扑材料中,大多在费米能级附近只具有一类拓扑费米子,缺... 详细信息

拓扑电子材料蕴含着多种类型非平庸费米子,具有丰富的物理特性包括高电子迁移率、手性反常、非平庸表面态、特殊磁、光响应等,在量子计算等领域具有重要应用前景。当前已被开发的拓扑材料中,大多在费米能级附近只具有一类拓扑费米子,缺失了多种非平庸费米子共存于同一材料中可实现的拓扑物性多样性与潜在的费米子间关联效应。在此背景下,本论文基于第一性原理计算方法,设计与开发具有多重拓扑费米子共存的拓扑电子材料,并对它们的拓扑电子能带结构与特性展开研究。本论文工作开发出多个体系拥有多重拓扑费米子共存的候选材料。候选材料覆盖三维、二维、以及磁性体系。拓扑费米子涉及不同能带交叉维度与多种能带色散关系。首先,在拥有四方晶体结构的Pd O和AB(A=Cr,Mo;B=Si,Ge)系列材料中开发出零维节点与一维节线共存的拓扑半金属材料。在费米能级附近,它们的电子能带结构展现出多重能带交叉特点。在布里渊区中同时形成了孤立的零维节点(包括狄拉克点和三重简并点)和连续的一维节线,实现了不同维度拓扑费米子在单一材料的共存。相应地,它们具有费米弧和鼓膜状表面态共存与耦合的特点。此外,本论文工作还在两种硫化物(Ti S和PdS)实现了具有不同能带色散关系的一维节线的共存。尤其Ti S中存在着多重一维的节线,但它们附近能带展现出不同的倾斜度,可以区分为type-I型节线、type-II型节线和hybrid型节线。它们的鼓膜状表面态和弱自旋轨道耦合能隙的特点。不同类型节线拥有迥异的物理性质,本文开发出的Ti S材料是首个可以在单一材料中实现全部三种类型节线共存体系。除了上述几个三维非磁性材料体系外,本论文还在Mn(CO)、CrC以及Eu O三个磁性二维材料体系中实现多重拓扑费米子的共存。这些材料具有高的稳定性和铁磁性,并在费米能级附近同时具有type-I型和type-II型的外尔费米子。尤其它们的拓扑态可以通过操控磁场方向实现调节,将可控的不同外尔态与物性融合在单一材料。本论文研究工作不仅为多重拓扑费米子共存拓扑电子材料的开发提供了指导,还将为这类拓扑电子材料在拓扑相操控、自旋电子器件等方面的应用提供理论基础。

关键词：第一性原理计算拓扑费米子节线半金属外尔半金属拓扑表面态

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新型二维拓扑材料设计及性能研究

新型二维拓扑材料设计及性能研究

作者：赵永春济南大学

学位级别：硕士

电子器件微型化迅猛发展,已经趋近于物理极限。因此,寻找低耗散高传输的器件刻不容缓。拓扑材料满足此需要,并可能打破摩尔定律带来的瓶颈,从而使器件小型化带来的发热问题得已解决,促进新信息时代科技更进一步。基于此,本文通过第一性... 详细信息

电子器件微型化迅猛发展,已经趋近于物理极限。因此,寻找低耗散高传输的器件刻不容缓。拓扑材料满足此需要,并可能打破摩尔定律带来的瓶颈,从而使器件小型化带来的发热问题得已解决,促进新信息时代科技更进一步。基于此,本文通过第一性原理对二维新型拓扑材料展开了研究,研究内容如下:首先,我们设计了新型的蜂窝Kagome晶格的二维拓扑材料:NaTe和RbSb磁性薄膜。研究结果表明,NaTe是居里温度192K的本征铁磁性材料,RbSb更是居里温度高达429K的本征铁磁性材料。它们的量子反常霍尔效应都来自自发磁化。磁晶各向异性能表明它们是面外磁各向异性和面内磁各向同性材料,易磁轴在z轴。自旋轨道耦合作用使NaTe在K点打开了8.2me V的拓扑非平庸带隙,通过k空间积分的Berry曲率确定了材料的陈数为C=-1。同样自旋轨道耦合作用使RbSb在（38）点打开了28me V的拓扑非平庸带隙。一条拓扑保护的无带隙边缘态进一步证实了NaTe、RbSb材料是量子反常霍尔效应绝缘体并且百分百自旋极化。另一方面它们的动力学以及热力学稳定性良好,具有较高的居里温度,使其在室温下通过实验手段合成成为了可能。这些性质都表明NaTe、RbSb材料在制备低耗散,高传输的自旋电子学材料器件方面有很好的应用前景。其次,我们设计了类CrGeTe结构的六角蜂窝晶格的二维拓扑材料:Ru CS磁性薄膜。系统的结构稳定性通过声子谱、分子动力学的计算得到验证,能量的稳定性通过对其内聚能计算验证。计算结果表明,Ru CS是居里温度为696K的本征铁磁性材料,磁矩主要来源于Ru原子。Ru CS材料的磁性起源可用Ru原子间的超交换相互作用解释。磁晶各向异性能表明它们是面外磁各向异性和面内磁各向同性材料,易磁轴在z轴。在不考虑自旋轨道耦合作用时,（38）-K方向的竖直镜面对称性使得Ru CS薄膜在K点处存在狄拉克锥能带。自旋轨道耦合打破了竖直镜面对称性的对称性保护,导致带隙打开约336me V。在此基础上,通过k空间积分的Berry曲率确定了材料的非零陈数。一条拓扑保护的无带隙边缘态进一步证实了Ru CS薄膜是量子反常霍尔效应绝缘体并且百分百自旋极化。这一结果的发现,为低功耗自旋电子器件方面拓宽了研究道路。最后,我们设计了新型的四方晶格的二维拓扑材料:ZnB薄膜。研究结果表明,它是一种极为稳定的且具有各向异性的节线态材料。通过声子谱,弹性常数和形成能计算证明了该结构具有稳定性。研究结果表明,ZnB的节线环主要由Zn和B原子的p轨道以及B原子的p轨道组成的带在费米表面交叉形成。ZnB在BZ中呈现以S点为中心的节线环,受到镜像反转对称性和p/p带交叉的保护。我们通过分别在ZnB单层上施加高达-4%的面内压缩应力和5%的拉伸应力,进一步检验了节线环在双轴应力下的鲁棒性。自旋轨道耦合作用使S点周围的R和R打开带隙。为了检查ZnB材料的非平庸拓扑性,我们计算了系统的边缘态和Z不变量,进一步证实了ZnB的量子自旋霍尔效应。不仅如此,在研究其输运性质时,发现随着施加电压的增加电流减小的负微分电阻效应。我们的研究为自旋电子学以及制造新的量子器件开辟了道路。

关键词：第一性原理计算拓扑绝缘体量子反常霍尔效应节线半金属二维铁磁性材料

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新型二维拓扑和磁性材料设计及性能研究

新型二维拓扑和磁性材料设计及性能研究

作者：庞召霞济南大学

学位级别：硕士

二维拓扑材料和磁性材料是自旋电子学的研究热点。本文基于第一性原理计算,设计了四类新型的二维材料并对其结构和电子性质进行了研究。在研究拓扑材料非平庸拓扑态和磁性材料内禀铁磁性的基础上,通过对结构进行旋转,施加应力、电场或... 详细信息

二维拓扑材料和磁性材料是自旋电子学的研究热点。本文基于第一性原理计算,设计了四类新型的二维材料并对其结构和电子性质进行了研究。在研究拓扑材料非平庸拓扑态和磁性材料内禀铁磁性的基础上,通过对结构进行旋转,施加应力、电场或者衬底等外部调控手段实现对材料物理性质的调控。我们相信材料中这些独特性质将为拓扑绝缘体的发展和高效多功能自旋电子器件的应用提供扎实的理论基础。首先,对二维材料进行化学基团的官能化是调控其性质的有效途径,因此,我们通过将两个二甲醚基(CHOCH)吸附铅烯构建了二维六角晶格Pb-CHOCH。研究结果表明,该材料是一类新型的铁电拓扑绝缘体,在自旋-轨道耦合作用下具有0.80 e V的较大带隙。基于轨道过滤效应,体系具有非平庸的拓扑态,这通过两条自旋极化相反的螺旋导电边缘态和数值为1的Z不变量得到证实。通过旋转单侧配体分子破坏结构的对称性引入面内铁电极化,其大小和方向取决于CHOCH分子的相对位置。当旋转配体分子时,体系的拓扑相始终是稳健存在的,实现了Pb-CHOCH材料中铁电性和拓扑性的共存。为了增加Pb-CHOCH的实验可操作性,我们构建了Pb-CHOCH/Si C(111)异质结,发现其电子性质仅受到衬底层间耦合的轻微影响,拓扑态仍然保持。材料中铁电性和拓扑性的耦合为铁电极化和自旋电子学的结合提供理论基础。其次,拓扑半金属是不同于拓扑绝缘体的一类全新的拓扑量子态,而节线半金属又是拓扑半金属的一类分支,其能带的交叉点在晶格动量空间形成连续的闭合曲线。我们设计了二维六角晶格结构TaC。研究结果表明,该材料在其费米能级处围绕K点有两条交叉的能带,它们分别由Ta原子的轨道和C原子的p轨道贡献,这两个波段波函数相反的奇偶性阻止了它们之间的相互作用。因此,交叉的能带在体系的布里渊区中表现为以K点为中心的节线环,由此证实了TaC单层是一类新型的节线半金属。自旋-轨道耦合效应导致能带出现明显的自旋劈裂,导带底和价带顶的自旋劈裂分别高达268.87 me V和61.90 me V。在K和K’点处不等价的谷中无质量的狄拉克费米子具有相反的Berry曲率和自旋指数。自旋和谷的耦合使材料在施加平面电场时将产生自旋-谷霍尔效应,从而产生自旋电流和自旋-谷极化。这实现了材料低功耗和电子的快速传输,也为自旋电子学和谷电子学的结合提供更大的发展空间。此外,在研究材料的输运特性时出现了有趣的负微分电阻效应,这有助于材料在二极管、放大器和振荡电路中的应用。量子反常霍尔效应实现其量子霍尔态时不需要任何外加磁场,在零磁场中利用材料本身的自发磁化就可以产生,因此更容易应用于常见的电子器件中。因此,我们设计并研究了二维量子反常霍尔绝缘体Ru I。研究结果表明,二维四方晶格结构Ru I具有高达282K的居里温度,这证实了材料内禀的强铁磁性。通过对材料磁晶各向异性能的计算证实了其面外磁化方向和垂直磁各向异性。自旋-轨道耦合作用使材料打开了196 me V的拓扑非平庸带隙,通过积分k空间中所占频带的Berry曲率确定了其Chern数为|C|=2。两条拓扑保护的无间隙边缘态进一步证实了材料是具有高Chern数的量子反常霍尔绝缘体。此外,Ru I在双轴应力为-1%至6%下具有稳健的量子反常霍尔效应及垂直磁各向异性。这些发现为在自旋电子学中应用二维铁磁性Chern绝缘体提供了机会。最后,我们设计了二维四方晶格结构XOBr(X=Tc,Ru)。研究结果表明,XOBr(X=Tc,Ru)是一类具有内禀铁磁性的二维各向异性材料,结构的磁性来源于过渡金属原子Tc和Ru。Tc OBr和Ru OBr单胞的磁矩分别为4.0和2.0μ,二者的居里温度分别为195 K和82 K。如果二维材料中的各向异性及晶格结构可以由应变工程进行调控,那么这些材料表现出铁弹性,独特的铁弹性为调控材料的各向异性提供了机会。我们发现XOBr具有出色的铁弹性,其铁弹性相变可以通过施加外部应力驱动晶格取向旋转90°来实现。Tc OBr/Ru OBr中77 me V/atom/136 me V/atom的适度转换势垒使得材料在形变记忆器件的应用中具有重要价值。此外,XOBr在x方向和y方向上的载流子迁移率具有显著的差别,铁弹性相变导致电子和空穴的传输方向也随之发生90°的旋转。利用铁弹性相变实现对各向异性电子行为方向控制的特性使得XOBr成为设计可控电子器件强有力的候选材料。

关键词：拓扑绝缘体铁电极化量子反常霍尔效应节线半金属铁磁性第一性原理计算