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基于碳纳米管和石墨烯纳米带组装的二维拓扑节线半金属的计算研究

基于碳纳米管和石墨烯纳米带组装的二维拓扑节线半金属的计算研究

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作者：王耀临内蒙古大学

学位级别：硕士

随着外尔半金属的预测和实验证实,拓扑半金属(TSMs)引起了人们极大的研究兴趣。拓扑半金属的重要拓扑特征来源于费米能级附近线性能带交叉形成的简并点。对于简并点连续的拓扑节线半金属(TNLSMs)而言,由于其新奇的拓扑特性,吸引了大量... 详细信息

随着外尔半金属的预测和实验证实,拓扑半金属(TSMs)引起了人们极大的研究兴趣。拓扑半金属的重要拓扑特征来源于费米能级附近线性能带交叉形成的简并点。对于简并点连续的拓扑节线半金属(TNLSMs)而言,由于其新奇的拓扑特性,吸引了大量研究者不断地去寻找这种材料。但是在已经预测的众多材料中,它们大多数是由重元素组成,而且通常是昂贵的或者是有毒的。因此,寻找由轻元素组成的拓扑节线半金属材料是十分重要的。碳作为一种典型的轻元素,可以通过不同的杂化方式(sp、sp2和sp3)形成丰富的同素异形体,有着新奇物理和化学性质的碳纳米管(CNT)和石墨烯纳米带(GNR)是其典型的一维(1D)代表。基于此,本文利用拼接组装的方法结合第一性原理计算,给出了一系列由碳纳米管和石墨烯纳米带拼接而成的拓扑节线半金属,本文把它们命名为Tubegraphene-N,具体内容如下:(1)计算表明Tubegraphene(Tubegraphene-3)在能量稳定性方面优于绝大多数已经预测的二维碳节线半金属,并且在动力学和热力学上都是稳定的。此外,通过细致的对称性分析,论证了节线受镜面对称的保护。更为新奇的是,在适度的双轴应变下,节线存在的同时,还出现了二次单节点和线性双节点的相互转变。最后,通过计算二次单节点的各向异性,发现了类似线性中Ⅰ、Ⅱ类的过渡Ⅲ类的存在,本文把它命名为Q-Ⅲ类。该工作利用应变在二维(2D)碳材料中实现了单双节点的转变,是研究拓扑态转变很好的范例。(2)利用不同宽度的石墨烯纳米带拼接碳纳米管组装了 Tubegraphene-N,其中N代表石墨烯纳米带宽原子的个数(N=2n+1,n=1,2,3...)。计算表明Tubegraphene-N能量稳定性优越,并且声子谱和分子动力学模拟(MD)证实了其动力学和热力学稳定性。值得注意的是,随着N不断增加,Tubegraphene-N系列的节线形状从曲线逐渐变为直线,而且曲线上存在Ⅰ类、Ⅱ类和Ⅲ类共存的Weyl点,直线上只存在Ⅰ类Weyl点。该工作通过调控石墨烯纳米带宽度来改变节线形状,为调控节线形状提供了一个可行的思路。本文的工作为组装新型2D碳材料提供了一个新的途径,并且丰富了 2D碳同素异形体家族,其新奇的拓扑特性有望应用到实际中。

关键词：第一性原理计算碳纳米管石墨烯纳米带拓扑节线半金属应变

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具有节线圈拓扑半金属的拓扑及输运性质的理论研究

具有节线圈拓扑半金属的拓扑及输运性质的理论研究

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作者：熊枫南京大学

学位级别：硕士

经过最近十几年的研究,拓扑在凝聚态领域已经取得了丰硕的成果。其中,拓扑半金属是继拓扑绝缘体之后成为大家关注的热点之一。目前拓扑半金属大家族成员包括,Dirac半金属,Weyl半金属和拓扑节线半金属等等。那么在布里渊区具有不同几何... 详细信息

经过最近十几年的研究,拓扑在凝聚态领域已经取得了丰硕的成果。其中,拓扑半金属是继拓扑绝缘体之后成为大家关注的热点之一。目前拓扑半金属大家族成员包括,Dirac半金属,Weyl半金属和拓扑节线半金属等等。那么在布里渊区具有不同几何构型的拓扑半金属体系的边界态的性质如何,成为人们关注的焦点之一。比如,体态具有相反手征的Weyl点会产生受拓扑保护的费米弧边界态,且在ARPES实验中也观察到了费米弧的存在。最近地,人们发现对于体态费米面的拓扑结构是一维的节线体系,由于受到特殊的PT对称性保护,其呈现出受拓扑保护的鼓面状边界态。因此,无论是从理论模型的构造,还是从第一性实际材料的预言,探索这一类具有不同拓扑构型的节线半金属的物理性质变得十分迫切和意义非凡。第一章对拓扑大家族背景做了简要阐述,其中着重介绍了 Weyl(Dirac)半金属的研究发展背景,并且引申到最近发现的拓扑节线半金属的相关进展。第二章主要是利用传输矩阵,我们发展了一套解析求解半无限大的晶格紧束缚模型体系的边界态的理论方法。通过讨论与原薛定谔方程等价的系数参数方程,我们细致地分析了存在局域边界态下的参数条件以及对应的波函数的衰减形式。我们发现两大类衰减形式的波函数,平行和非平行模式。经验证,此方法在不同边界类型的2D(3D)石墨结构,Weyl半金属和超导等体系应用良好。第三章介绍的是在一个Weyl节线圈半金属的理论模型的基础上,我们发展出了一套构造具有PT对称性保护的拓扑节线圈体系的一般方法。该方法可以在一个理论框架下,实现拓扑网状半金属态,Hopf环绕半金属态,拓扑链状半金属态和非嵌套环绕态等多个拓扑半金属。以最简单的两个节线圈模型为例,通过计算和比较上述不同拓扑半金属态的边界态,发现他们都呈现出受手征保护的鼓面状的边界态。此外,通过加入磁场计算朗道能级,发现Hopf嵌套的节线圈半金属总是存在四重简并的零能平带,这个特点可以区分Hopf嵌套和非嵌套体系。第四章我们研究节线圈半金属和正常金属结之间的输运性质,主要探讨了节线圈与界面的几何位置因素和节线圈的自旋构型因素对输运性质的影响。第五章我们对本文的工作进行了总结,并提出几个与拓扑节线圈半金属相关的开放性问题,为将来研究提供参考。

关键词：半无限大传输矩阵边界态拓扑节线半金属朗道能级 Floquet态输运性质自旋阀效应

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新型碳材料的结构设计及其第一性原理计算研究

新型碳材料的结构设计及其第一性原理计算研究

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作者：丁献勇安徽理工大学

学位级别：硕士

碳材料,如富勒烯、石墨烯和碳纳米管等自合成以来,就一直备受研究者们的关注。近年来,随着计算科学,计算能力以及实验设备和方法等迅猛发展,使得一系列性能各异的碳材料被预测并合成出来。T-carbon是于2011年理论预测的三维碳材料,并于2... 详细信息

碳材料,如富勒烯、石墨烯和碳纳米管等自合成以来,就一直备受研究者们的关注。近年来,随着计算科学,计算能力以及实验设备和方法等迅猛发展,使得一系列性能各异的碳材料被预测并合成出来。T-carbon是于2011年理论预测的三维碳材料,并于2017年被成功合成。因此,T-carbon作为理论预测与实验合成的完美结合,吸引了一大批研究者的目光。在本论文中,基于第一性原理计算,探究了 T-carbon在温度以及一定浓度杂质原子影响下的结构演化行为。在T-carbon的结构演化过程中,会出现T-carbon到bct-C16的拓扑相变过程。基于T-carbon和bct-C16的结构,本文构建了力学和电学等性能优良的T5-carbon和fco-C6新型碳材料。研究发现T5-carbon有较好的力学和热学性能,而fco-C6是一种只存在两对外尔点的理想外尔半金属碳相。本文的主要研究内容如下:1)基于第一性原理分子动力学计算和键强分析发现,T-carbon在温度约500 K或者一定浓度的过渡金属原子掺杂下,会转变为一种相对稳定的拓扑节线环半金属bct-C16碳相。此外,通过对称性和低能有效k·p模型的分析,证实了 bct-C16拓扑节线环半金属的拓扑电子态是受中心反演和时间反演对称性保护的。综上,本文提供了两种通过T-carbon获得拓扑节线环半金属相bct-C16的方法,为实验上观察非平庸狄拉克节线型费米子提供了理论依据。2)通过第一性原理分子动力学计算结合键强分析发现T-carbon中碳四面体的存在会使晶体的稳定性降低,因此本文设想减少T-carbon晶体中碳四面体的浓度。本文通过将T-carbon晶胞中一半的碳四面体替换为单个碳原子,从而构建了T5-carbon的晶体结构。计算发现,与T-carbon相比,T5-carbon有更低的能量和更好的力学和热学性能,而且电子结构计算显示T5-carbon具有较小的电子和空穴有效质量。由于T5-carbon是一种间接宽带隙半导体,因此本文为了减小其带隙,分别采用Si和Ti原子替换其中的非四面体碳原子,得到了 SiC4和TiC4材料。计算结果表明,相比于间接带隙半导体T5-carbon,TiC4为直接带隙半导体,而且仍然具有很小的电子和空穴有效质量。值得注意的是,TiC4相比于锐钛矿TiO2具有更好的可见光吸收能力和合适的导带和价带电位,因此是一种良好的光催化候选材料。3)Weyl费米子是满足Weyl方程的一种费米子,之前的研究很少在碳材料中发现有Weyl费米子的存在。本文中,在T-carbon和bct-C16的启发下,搭建了一种螺旋碳三维网络结构,命名为fco-C6。Fco-C6结构中没有中心反演对称性和磁性,即存在时间反演对称性。结合电子能带结构的计算结果发现,在fco-C6的费米面附近存在两对价带顶和导带底的交点,表明了其Weyl费米子的特征。此外,通过对称性和低能有效k·p模型分析,证明了fco-C6中的Weyl点是受到时间反演对称性和两倍旋转对称性C2保护的。更为重要的是,这些对称性保护的外尔点非常靠近费米能级,这使得fco-C6几乎具有理想的非平庸表面态和费米弧。同时,由于碳元素的自旋轨道耦合极其微弱,且fco-C6中只有极少的两对Weyl费米子,表明了 fco-C6是在碳材料中观察Weyl费米子的理想材料。图[26]表[3]参[159]

关键词：第一性原理拓扑节线半金属光催化费米弧外尔半金属

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