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磁性拓扑材料(W,Mo)Se2和V2(Cu,Ag)O4的第一性原理研究

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磁性拓扑材料(W,Mo)Se2和V2(Cu,Ag)O4的第一性原理研究

作者：张虹英湘潭大学

学位级别：硕士

磁性拓扑材料是综合晶体学、磁学和拓扑学的新型量子材料,包括磁性拓扑绝缘体、磁性拓扑半金属等。这类材料具有低耗散的电子输运等奇特的物理现象,因此其在未来高速、低能耗的自旋电子学器件中具有极大的应用潜力。磁性拓扑绝缘体是区... 详细信息

磁性拓扑材料是综合晶体学、磁学和拓扑学的新型量子材料,包括磁性拓扑绝缘体、磁性拓扑半金属等。这类材料具有低耗散的电子输运等奇特的物理现象,因此其在未来高速、低能耗的自旋电子学器件中具有极大的应用潜力。磁性拓扑绝缘体是区别于普通的绝缘体和拓扑绝缘体的一类拓扑量子态,其典型特征是具有非零Chern数以及无带隙的手性边界态。磁性拓扑半金属作为拓扑量子材料的最新成员,其结合了拓扑与自旋电子学的特性而受到研究者们的广泛关注。目前仅有少数的磁性拓扑材料在实验上得到证实,因此理论预测更多具有良好性质且合成可能性高的这类材料是一个值得研究的课题。本论文基于第一性原理计算预测了两类新型的磁性拓扑材料:二维(W,Mo)Se和三维V(Cu,Ag)O。主要研究内容如下:1.本论文提出了两种新型的二维量子反常霍尔材料:WSe和Mo Se。声子谱和分子动力学的结果表明它们在动力学和热力学上都是稳定的。在不考虑自旋轨道耦合(SOC)时,WSe和Mo Se的电子能带发生了自旋劈裂,在自旋向上通道上存在受C对称保护的Dirac锥,表现出典型的自旋极化Dirac半金属性质。当考虑SOC以后,它们的能带交叉点分别打开了30 me V和17 me V的带隙。进一步计算发现,这两个材料具有非零Chern数(C=-2),表明它们是本征的铁磁Chern数绝缘体,并且它们具有量子霍尔电导平台和无带隙的手性边界态。另外,WSe和Mo Se的居里温度分别为160 K和215 K,表明它们是有望在更高实验温度实现量子反常霍尔效应的二维候选材料。通过分析它们生长的衬底需求以及在衬底上的电子性质,证明了实验制备这两种材料的可能性。因此,该工作为未来实现Chern数绝缘体在自旋电子学器件的应用提供了理论基础;2.本论文发现了两种三维磁性节点线半金属材料:VCu O和VAg O。声子谱和结合能的结果表明它们具有动力学稳定性并且在未来实验中可能被合成。它们的电子能带在费米能级附近都是完全自旋极化的,并且在自旋向上通道上沿着高对称线Γ-X,Γ-K,Γ-W分别存在受对称保护的交叉点。三维能带图和带隙图的结果表明它们的能带交叉点形成了闭合的节点线,进一步证实了节点线的特性。此外,VCu O和VAg O在(001)面清晰可见的表面态证实了它们的拓扑非平庸性质。当考虑SOC以后,这些单自旋通道上的交叉点仅打开了几乎可以忽略的微小带隙。该工作为实验上研究探索磁性节点线半金属提供了新的可选材料,同时也为它们在未来自旋电子学材料的实验研究提供了新的方案。

关键词：磁性拓扑材料自旋半金属 Chern数绝缘体磁性节点线半金属

磁性拓扑材料PdTaTe2和X2MnO4（X=Li,Na,Ag）的第一性原理研究

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磁性拓扑材料PdTaTe2和X2MnO4（X=Li,Na,Ag）的第一性原理研究

作者：亢瑞荣湘潭大学

学位级别：硕士

基于电子自旋对数据编码进而处理的自旋电子器件具有能耗低、处理速度快、非易失性和集成度高等优点，已经广泛应用于磁存储领域。但目前自旋电子器件仍然存在灵敏度低和高温磁性状态难以保持等问题，限制了其在信息传感、量子计算等智... 详细信息

基于电子自旋对数据编码进而处理的自旋电子器件具有能耗低、处理速度快、非易失性和集成度高等优点，已经广泛应用于磁存储领域。但目前自旋电子器件仍然存在灵敏度低和高温磁性状态难以保持等问题，限制了其在信息传感、量子计算等智能信息领域的发展。为了促进新一代自旋电子器件的快速实用化，新型自旋材料的研究是最为基础的。其中，具有丰富和新奇电输运响应的磁性拓扑材料有望实现无耗散自旋电子器件，备受人们关注。然而，目前该材料还存在高质量单晶难以合成和室温量子反常霍尔效应未实现等关键问题，限制了其实际应用。因此，从理论上寻找更多该体系的新材料是非常有必要的。本论文基于第一性原理计算研究了四种新型磁性拓扑材料:PdTaTe2和X2MnO4(X=Li,Na,Ag)。主要研究内容和结果如下:　　1.我们提出了一种新型二维本征量子反常霍尔材料:PdTaTe2。其Chern数为1,磁基态为铁磁态，居里温度为282.5K。在不考虑自旋轨道耦合时，该单层在费米水平附近的M点上具有一个受C2z对称保护的单自旋Weyl型能带交叉。当考虑自旋轨道耦合时，Weyl点打开了一个约为269.7meV的大带隙，使半金属相转变为量子反常霍尔绝缘体。在绝缘区域内表现出单自旋的无耗散手性导电边界态和一个量子霍尔电导平台。此外，PdTaTe2的量子反常霍尔带隙对库伦相互作用和晶格应变均具有极好的鲁棒性。因此，PdTaTe2有望实现室温量子反常霍尔效应，成为未来自旋电子器件的理想材料。　　2.我们发现了三种铁磁拓扑节点链半金属材料:X2MnO4(X=Li,Na,Ag)。在无自旋轨道耦合时，它们是完全自旋极化的半金属，其中自旋向上带在费米面附近形成一系列的Weyl型能带交叉，这些交叉在动量空间的kz=0和F-X-L平面上分别形成了受(M)z和M(1)01对称保护的两类节点环。这两类节点环沿Γ-X和Γ-K路径上的公共交叉点垂直连接在一起，构成了一个独特的节点链结构。费米弧和鼓膜状表面态证实了该节点链的拓扑非平庸性，且该结构对电子关联作用和晶格应变均具有较好的鲁棒性。而考虑自旋轨道耦合时，节点链在各自磁对称的诱导下打开了室温可忽略的微小带隙。因此，该完全自旋极化的拓扑节点链结构是极其稳定的，既有助于未来实验研究，也有望成为新一代自旋电子器件的宿主材料。

关键词：磁性拓扑材料第一性原理半金属 Chern数绝缘体自旋轨道耦合

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磁性拓扑材料的磁性和电输运行为调控

磁性拓扑材料的磁性和电输运行为调控

作者：梁婷婷山西师范大学

学位级别：硕士

磁性拓扑材料中费米能级附近的拓扑电子态能够诱发出拓扑增强的贝利曲率,从而给体系带来内禀增强的横向输运特性。其中反常霍尔效应（AHE）作为自旋电子学中重要磁电相互作用现象,由于其背后丰富的物理机制以及巨大的潜在应用而备受研... 详细信息

磁性拓扑材料中费米能级附近的拓扑电子态能够诱发出拓扑增强的贝利曲率,从而给体系带来内禀增强的横向输运特性。其中反常霍尔效应（AHE）作为自旋电子学中重要磁电相互作用现象,由于其背后丰富的物理机制以及巨大的潜在应用而备受研究者们关注。本论文针对两类重要的磁性拓扑材料体系,即磁性拓扑节线MnAlGe与磁性外尔半金属CoSnS开展相关研究工作。通过不同类型的元素掺杂对两类磁性拓扑材料的相关物性进行系统地研究。其重点研究元素掺杂对两类材料体系AHE的调控。具体工作包含以下几部分:（1）基于磁性拓扑材料MnAlGe,通过采用缓慢冷却法制备了一系列电子掺杂的MnFeAlGe单晶样品。结合结构、磁性和电输运测量系统研究了电子掺杂对体系的磁性和横向输运的影响。研究结果表明随着Fe含量的增加体系的磁性逐渐降低。未掺杂样品其反常霍尔电导率（AHC）高达800Ωcm,随Fe含量增加而逐渐降低。模型拟合结果表明体系外禀贡献的AHC随着Fe含量的增加逐渐降低,而内禀贡献基本维持在100-200Ωcm之间,这与理论计算费米能级处的AHC接近。进一步采用Cr和Co分别取代Mn,研究发现体系的AHC均未得到提升。（2）考虑到无论电子或空穴掺杂均未提升MnAlGe的AHC。本章通过缓冷法制备了一系列同主族元素掺杂的Mn AlGaGe单晶样品。磁性测量表明体系的磁性随着Ga含量的增加而增加。电输运测量表明随着Ga含量的增加体系的AHC先增加而后减小,其最大AHC约为1000Ωcm。进一步采用模型分离发现增强的AHC主要来源于外禀贡献,而内禀贡献基本保持不变,其数值与理论计算结果吻合。（3）CoSnS是首个被实验证实的磁性外尔半金属。在该体系中费米能级附近具有外尔点和带能隙的节线环的拓扑电子结构,从而给体系带来巨大的内禀AHC和反常霍尔角（AHA）,其均高于常规铁磁材料1-2个数量级。基于此,本章进一步采用电子掺杂对该体系的AHE进行调控。采用缓冷法制备了一系列高质量的CoSnSbS单晶样品,并对其磁性和电输运进行了系统地研究。实验结果表明随着掺杂量的增加CoSnS的居里温度从175 K降低至130 K。体系的AHC随着Sb含量的增加先增加后减小,在x=0.3时得到最大的AHC约为1600Ωcm,最大反常霍尔角为26%（x=0.7）。进一步采用模型分离其结果表明增强的AHC由内禀机制主导,而外禀贡献微弱。

关键词：磁性拓扑材料反常霍尔效应内禀机制外禀机制

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拓扑增强的反常能斯特横向热电效应

中国科学：物理学、力学、天文学 2019年第12期49卷 156-160页

作者：刘恩克张伸中国科学院物理研究所磁学国家重点实验室北京100190 松山湖材料实验室东莞523808 中国科学院大学北京100049

磁性拓扑材料是拓扑物理与长程磁有序的统一,是一类新兴的先进磁性量子材料.体系中的时间反演对称破缺使得外尔费米子表现出强的贝利相位,有望产生拓扑增强的、零磁场的能斯特横向热电效应,为基于新原理下的全固态热电制冷带来了契机.

关键词：磁性拓扑材料横向热电能斯特效应埃廷豪森效应

准二维磁性半导体Mn3Si2Te6的单晶生长与热电输运性质探究

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准二维磁性半导体Mn3Si2Te6的单晶生长与热电输运性质探究

作者：冉辰重庆大学

学位级别：硕士

在全球环境和能源问题日益严重的背景下,热电转换技术作为一种经济且环保的能源转换技术,已在多个领域得到广泛应用。虽然热电材料领域近年来取得了很大进展,但其能量转换效率仍有提升的潜力。本文着眼于最新的磁性热电材料方向,并高度... 详细信息

在全球环境和能源问题日益严重的背景下,热电转换技术作为一种经济且环保的能源转换技术,已在多个领域得到广泛应用。虽然热电材料领域近年来取得了很大进展,但其能量转换效率仍有提升的潜力。本文着眼于最新的磁性热电材料方向,并高度关注了二维和准二维磁性拓扑材料的应用潜力。特别地,二维和准二维磁性拓扑材料由于其拓扑能带结构产生的大贝利曲率,可能会在费米能级处产生奇特的物理特性,如反常霍尔/反常能斯特效应等。此外,由于其强磁各向异性引起的自旋涨落对声子进行散射,从而保证体系较低的本征热导率。因此,二维和准二维磁性拓扑材料是探索新型磁热电材料的优异平台。本文选取了准二维亚铁磁性拓扑节线半导体Mn3Si2Te6作为研究对象,并成功制备了高质量的单晶。通过对该体系的磁性和热电输运特性的系统研究,探究了其在磁热电材料方面的应用前景。本文主要研究内容为:（1）成功采用助熔剂法和化学气相输运法生长了高质量的Mn3Si2Te6单晶,并对其进行了全面的表征和测试。实验结果表明,Mn3Si2Te6单晶具有三角晶格结构和P-31c空间群,呈现出亚铁磁性和强烈的磁各向异性,表现出半导体的输运特性以及双空穴带贡献的多能带输运行为,并在较低温度下表现出反常霍尔效应。这些结论为深入理解Mn3Si2Te6体系的内部输运机制提供了有价值的参考和基础。（2）探究了低温下Mn3Si2Te6单晶的纵向塞贝克和能斯特效应。该单晶在室温下表现出约200μV/K的高热电势值。磁场在低于200 K时对其热电势具有显著抑制作用。此外,Tc到150 K范围内,纵向热电势和能斯特信号均表现出双空穴带的贡献。在200 K以上,能斯特信号与磁场呈线性关系,而在Tc以下则观察到反常能斯特信号的贡献。低场区域能斯特信号的增强可能与节线拓扑产生的贝利曲率有关。（3）深入探究了低温下Mn3Si2Te6单晶的热输运性质,并发现了其独特的磁-声耦合行为。在室温下,Mn3Si2Te6表现出约0.8 W K-1 m-1的较低的热导率。自旋-声子散射效应可能会对热导率产生额外贡献,导致热导率与温度在转变温度Tc以上时呈现出偏离德拜模型的特殊温度依赖关系。此外在较低温度下,Mn3Si2Te6的热导率随磁场的增加而增加,这来源于磁场对体系内部自旋-声子散射效应的抑制。Mn3Si2Te6的磁-声耦合行为展现了其作为一种新型磁性热电材料的潜力,可为其未来更为广泛的研究和应用提供良好的基础。

关键词： Mn3Si2Te6 磁热电输运磁性拓扑材料反常能斯特效应自旋-声子散射