半金屬材料及拓撲材料的第一性原理研究.pdf

1、半金屬材料及拓撲材料的研究是21世紀初凝聚態(tài)物理中非常有活力的研究領域，它們都在自旋電子學領域中扮演著重要的角色。自從1983年de Groot研究小組在理論上預言了NiMnSb的半金屬性以來，越來越多的研究者把注意力放在了半金屬材料的研究上。而拓撲材料的研究更是活躍，從第一個拓撲絕緣體的發(fā)現(xiàn)至今，拓撲的概念深入到凝聚態(tài)物理學的許多領域，推動了物理學的發(fā)展。從二維拓撲絕緣體到三維拓撲絕緣體，再到有機無機拓撲絕緣體，拓撲光子學，拓撲半金屬

2、，以及拓撲超導體，各個研究方向齊頭并進。
　　第二章，主要介紹了密度泛函理論和拓撲能帶理論。密度泛函理論是一個非常廣泛應用的量子力學方法，主要用來對具體材料的電子結構性質(zhì)的計算。本文所有的計算都是基于第一性原理方法，即密度泛函理論。此外也介紹了能帶拓撲理論，和通過能帶的計算得到材料拓撲性質(zhì)的方法。
　　第三章，主要是用第一性原理方法研究CsCl結構的RbS和KS化合物的半金屬性質(zhì)。通過計算化合物總能量與晶格常量的關系，確定了

3、RbS的平衡晶格常量是4.02A，KS的平衡晶格常量是3.84A。通過化合物的體能帶圖和體態(tài)密度圖分析，發(fā)現(xiàn)RbS和KS都具有半金屬性質(zhì)。并且原胞磁矩都為整數(shù)1μB。RbS的能帶帶隙為4.287eV，KS的能帶帶隙為4.395eV。大的能帶帶隙保證了化合物在室溫環(huán)境下，還能保持半金屬性質(zhì)。所以，RbS和KS在室溫下可能還保持半金屬性。由于在實際應用的時候，材料都是以薄膜的形式應用，所以最后還研究了這兩個化合物的(Ⅲ)表面的性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)這兩

4、個化合物以(Ⅲ)面切出的薄膜同樣具有半金屬性。
　　第四章，基于第一性原理研究了Sr2XMoO6(X=Ge,Si)的電子結構和熱力學性質(zhì)。分別用了LSDA方法和LSDA+U方法計算。計算結果表明，用LSDA方法計算時，Sr2GeMoO6就已經(jīng)是一個半金屬鐵磁體，Sr2SiMoO6是一個普通鐵磁體。用LSDA+U方法計算時，它們兩個都是半金屬鐵磁體，總磁矩都是2μB。最后用準諧Debye模型計算了它們的體彈模量、等體熱容量、Deby

5、e溫度以及熱膨脹系數(shù)等熱力學量。進而對該材料有進一步的認識。
　　第五章，用第一性原理計算預言了化合物Bi2OSe2是一個三維強拓撲絕緣體。由于強的自旋軌道耦合效應，能帶在Γ點有一個能級反轉，并且?guī)洞笮?.126eV。最后為了進一步驗證化合物的拓撲性質(zhì)，計算了它的表面態(tài)密度，發(fā)現(xiàn)在表面Γ′附近，存在一個Dirac錐。
　　第六章，同樣基于第一性原理計算，預言了非中心對稱化合物NbIrTe4是一個Weyl半金屬。在不考慮自