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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

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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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

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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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

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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

基于碳纳米结构组装的两类三维拓扑半金属第一性原理研究

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基于碳纳米结构组装的两类三维拓扑半金属第一性原理研究

作者：伏秋内蒙古大学

学位级别：硕士

拓扑半金属在费米能级处的非平庸线性交叉可产生独特的拓扑表面态,有望在未来拓扑量子计算方面得以广泛应用。因此,近年来拓扑半金属材料的研究成为人们关注的热点。传统的拓扑半金属材料(topological semimetallic materials,TSM)通常... 详细信息

拓扑半金属在费米能级处的非平庸线性交叉可产生独特的拓扑表面态,有望在未来拓扑量子计算方面得以广泛应用。因此,近年来拓扑半金属材料的研究成为人们关注的热点。传统的拓扑半金属材料(topological semimetallic materials,TSM)通常由具有高强度自旋轨道耦合(spin-orbit coupling,SOC)作用的重元素构成。这些重元素往往价格昂贵、不环保,对材料的实际应用极为不利。处于元素周期表的C是典型的轻质环境友好元素,且自然含量高、核外四电子多元的杂化方式使得它拥有丰富的异构相。本文基于自下而上的纳米组装方法,以二维碳材料和纳米管为基元,设计得到了两类新型的拓扑节线半金属,其主要研究内容和结果如下:(1)以2D-palgraphyne为基元,通过垂直堆叠的方式,组装得到了具有Cmcm对称的三维亚稳低密度(1.69 g/cm)碳同素异形体——3D-palgraphyne。从成键特征看,该结构由两类碳原子形成,分别具有三配位和四配位特征,其构成比例是1:2。基于总能量、声子色散谱、弹性常数和第一性原理分子动力学的计算,结果表明本文所设计的3D-palgraphyne具有很好的热力学、动力学、力学和热学(高达3000 K)稳定性。电子结构的研究表明,3D-palgraphyne的能带在费米能级附近存在3对线性交叉,形成典型的Dirac态。其节点在整个布里渊区形成连续分布的节线:k=0平面中具有两对横贯整个布里渊区的准平行节线;此外,该平面的两侧还存在两对“蜻蜓状”的节链。采用紧束缚近似方法,本文还探究了3D-palgraphyne的拓扑性质。其结果表明,(100)面上的节点附近的线性交叉都是受对称保护的,表现出能带反转特征,它们形成的节线在(110)面的投影产生非平庸鼓膜表面态。此外,以节点为中心,通过不同k方向的能带计算,我们发现3D-palgraphyne在某些方向展现出第二类Dirac态的色散特征。(2)以碳(3,3)纳米管为基元,通过沿径向方向合并组装,形成具有与3D-palgraphyne相同成键和对称特性的三维纳米管束,称为3D-(3,3)NT。尽管其能量稳定性较3D-palgraphyne差,但它具有较好的动力学、力学和热学(1000 K)稳定性。从电子能带结构上看,3D-(3,3)NT在费米能级附近形成两个线性色散的Dirac态。其节点在布里渊区中也是连续分布的,形成两个上下对称的“王”字节线,(100)面上的节线受到M镜面的保护。其拓扑性质由(110)面的鼓膜状表面态得以验证。第一性原理计算结合自下而上的组装方式拓展了TSM研究的途径,也为以后的相关研究提供了参考。

关键词：三维碳异构相二类Dirac态节线半金属第一性原理计算

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单斜C24：新型3D拓扑节点线半金属

单斜C24：新型3D拓扑节点线半金属

作者： Fatima Younus 燕山大学

学位级别：硕士

本论文旨在利用第一性原理计算和Wannier紧束缚模型分析,从理论上研究了一种新发现的碳的同素异构体mC的各种结构相关性质和体态拓扑性质。主要的研究方向是检查了mC的机械稳定性,能量稳定性,动力学稳定性和热力学稳定性,并研究了新发现... 详细信息

本论文旨在利用第一性原理计算和Wannier紧束缚模型分析,从理论上研究了一种新发现的碳的同素异构体mC的各种结构相关性质和体态拓扑性质。主要的研究方向是检查了mC的机械稳定性,能量稳定性,动力学稳定性和热力学稳定性,并研究了新发现的mC的拓扑性质,证明它是一个拓扑节线半金属。众所周知,碳可以用多种方式存在,并具有极好的从一种相向另一种相转变的能力。本文在前人工作和研究思路的基础上,提出了一种单包拥有24个碳原子的单斜晶系碳的同素异构体,并对其拓扑性质进行了研究。首先,我们根据声子谱确认了mC的动态稳定性。然后,通过研究其能量/体积的关系,并与之前报道研究的碳的其他同素异形体进行比较,确定了mC能量稳定性。然后,通过计算其弹性常数,以Born稳定性判据为依据,对mC的力学稳定性也进行了研究。最后,根据分子动力学模拟研究了mC的热稳定性。在确定了mC的稳定性之后,我们特别关注了这种新发现的碳结构的本征拓扑响应。当“拓扑”一词出现时,我们就应该立即想到的是这是一种数学上的研究对象,并且该对象的属性在平滑变形下是恒定的。本论文对其进行了比较全面的研究,包括拓扑节线半金属的概念,mC对拓扑的响应,mC显示的不同拓扑特性,用于计算和研究这些拓扑响应的软件,以及所面临的问题及其对策和研究过程中采取的措施等。mC的电子能带结构显示了在其能带结构的费米能级附近存在一个单独的狄拉克点,并且自旋轨道耦合效应打开了相对较大的带隙,这种奇异的能带结构预示着这个结构存在新颖的物理性质。对其费米面和受PT对称性保护的节线结构的研究表明,它是一个三维拓扑节线半金属。为了研究该结构的拓扑特性,使用了名为Wannier＿Tools的软件。表面态能带呈现出鼓面状,贝里相和贝里曲率的计算为该研究带来了更多的新颖性,并且证实了mC中的拓扑节线的特征。本论文研究揭示了mC中的确存在三维拓扑节线结构,并且该拓扑节线半金属有望实现许多应用,尤其是在光伏电子设备中。

关键词： mC24 拓扑结构节线半金属表面态 Wannier＿Tools