拓撲絕緣體Sb2Te3、Bi2Se3薄膜電子結構及磁性的研究.pdf

1、拓撲絕緣體由于具有很多奇異的量子特性，近年來已成為物理學的研究熱點及前沿之一。對拓撲絕緣體的深入研究對于實現(xiàn)電子輸運的反弱局域化效應、反常量子霍爾效應、拓撲磁電效應、磁單極子、Majorana費米子與拓撲超導體等奇特性質有很大的幫助。因此被認為在自旋電子學、低能耗自旋電子器件、容錯量子通信、量子計算等方面有著重要的意義和廣泛的、潛在的應用前景。由于拓撲絕緣體(TI)這些奇異的物理性質和潛在的技術應用，拓撲絕緣體一直處于一個非?；钴S的研究

2、領域的核心。
　　在眾多拓撲絕緣體材料中，第二代三維拓撲絕緣體Bi2Te3，Bi2Se3和Sb2Te3因為具有較大體帶隙和最簡單表面Dirac能譜，在凝聚態(tài)物理和材料物理等領域引起了廣泛關注。然而實際中，可制備的Bi2Te3，Bi2Se3和Sb2Te3材料中卻存在著大量的本征缺陷，表面態(tài)被埋在塊材中，這使得拓撲絕緣體材料奇異物理現(xiàn)象的實現(xiàn)受到影響，因此，如何抑制拓撲絕緣體材料Bi2Te3，Bi2Se3和Sb2Te3的本征缺陷并實現(xiàn)

3、對電子結構的有效調控成了該研究領域亟待解決的問題。本文采用基于密度泛函理論的第一性原理方法系統(tǒng)探究拓撲絕緣體薄膜材料的電子結構和磁性，得到了一些有意義的理論結果。期望這些理論結果能解釋一些實驗現(xiàn)象和物理本質，為拓撲絕緣體材料電子器件的制備、設計和調控等相關實驗研究提供理論指導。
　　1.硫原子覆蓋對拓撲絕緣體Sb2Te3薄膜拓撲表面態(tài)的鈍化作用。
　　研究了S原子在拓撲絕緣體Sb2Te3(111)6QL薄膜表面吸附與替代對拓

4、撲表面態(tài)的影響。研究發(fā)現(xiàn)對于對稱吸附，S起到了鈍化作用，單一狄拉克錐型的表面態(tài)穩(wěn)定存在;對于單側吸附，結構的對稱性被打破，來自上、下表面的DiracCone表面態(tài)的簡并被破壞，來自上、下表面的DiracCone沿著高對稱Γ點方向發(fā)生移動。對稱替代表面最外層Te原子時，狄拉克錐型的表面態(tài)仍穩(wěn)定存在，拓撲性質保存完好，S的對稱替代很好的保持了拓撲表面態(tài)。和S的單側吸附相比，S的單側替代重構了結構的對稱性，使得S的單側替代，對Sb2Te3的拓

5、撲表面態(tài)的影響較小，拓撲性質保留。我們的理論結果驗證了拓撲絕緣體的拓撲表面態(tài)對非磁雜質的免疫能力，但同時結構的對稱性也需考慮。
　　2.磁性原子摻雜對拓撲絕緣體Bi2Se3薄膜電子結構的調制和誘導磁性的研究。
　　研究了過渡金屬原子（Cr和Mn）在拓撲絕緣體Bi2Se3薄膜上表面吸附和摻雜的電子結構和磁性。研究發(fā)現(xiàn)磁性原子能誘導自旋極化，產生磁矩（Cr誘導的凈磁矩為2.157μB，Mn誘導的凈磁矩是1.730μB）。通過DO

6、S分析，發(fā)現(xiàn)Cr的3d態(tài)和Se的4p態(tài)產生了p-d雜化，Mn的3d態(tài)與Bi的6p態(tài)產生了p-d雜化。磁性原子的摻雜打破了局域時間反演對稱性，使得上表面的能帶發(fā)生劈裂，來自上表面的DiracCone消失，而未經摻雜的下表面的拓撲表面態(tài)仍然存在，費米能級上移至體帶隙中，狄拉克錐相對費米能級下移。為實現(xiàn)絕緣有質量Dirac費米子提供了條件，同時磁性粒子的單側摻雜對避免有限尺寸的拓撲絕緣體薄膜上下表面的相互作用、保留無帶隙的孤立表面態(tài)的研究有一

7、定的指導意義。
　　3.T1原子的摻雜對拓撲絕緣體Bi2Se3薄膜電子結構的調制作用。
　　研究了T1原子的表面吸附和替位摻雜對拓撲絕緣體Bi2Se3電子結構的調制，T1的單側吸附能誘導Bi2Se3薄膜能帶結構的Rashba劈裂，來自上下兩個表面的表面態(tài)的簡并消失，上下表面形成的DiracCone型的表面態(tài)仍然存在，但是上表面形成的DiracCone下移到了價帶中，下表面形成的DiracCone仍然在帶隙中，費米能級上移進入