应变调控下Tl2Ta2O7中的拓扑相变

拓扑电子材料因为具有非平庸的拓扑态,所以会展现出许多奇异的物理性质.本文通过第一性原理计算对应变调控下的烧绿石三元氧化物Tl₂Ta₂O₇中的拓扑相变进行了研究.首先分析了原子轨道投影能带,发现体系费米能级附近O原子的(px+py)与pz轨道发生了能带反转,再构造了紧束缚模型计算得到体系的Z₂拓扑不变量确定了其拓扑非平庸性,最后研究了表面态等拓扑性质.研究发现未施加应变的Tl₂Ta₂O₇是一个在费米能级处具有二次能带交叉点的半金属,而平面内应变会破缺晶体对称性进而使体系发生拓扑相变.当对体系施加–1%的压缩应变时,它会转变为狄拉克半金属;当对体系施加1%的拉伸应变时,体系相变为拓扑绝缘体.本研究对于在三维材料中调控拓扑相变有着较重要的指导意义,并且为低能耗电子器件的设计提供了良好的材料平台.     

反铁磁轴子绝缘体候选材料EuIn_2As_2的表面原子排布和电子结构

非平庸的能带拓扑性与磁性结合可以产生丰富的量子现象,包括量子反常霍尔效应、轴子绝缘体态等.不同于磁性掺杂和异质结方案,内禀磁性拓扑绝缘体避免了掺杂带来的无序,且制备工艺通常比异质结更加简单,因此对研究和利用磁性拓扑绝缘体都有重要的意义.最近,EuIn_2As_2被认为是内禀反铁磁轴子绝缘体,本文使用低温扫描隧道显微镜研究了它的解理表面的原子排布和电子结构.结合原子分辨形貌图、晶格对称性分析以及局域态密度等信息,认为观测到的表面条纹结构来源于Eu截止面50%覆盖度的1×2表面重构.通过条纹面的局域态密度测量,发现4 K时费米能附近态密度存在非对称的谷-峰特征,该特征随温度升高逐渐变弱,在反铁磁相变温度以上完全消失,表明其与反铁磁序密切相关.此外,在某些台阶附近,伴随有少量迷宫状的结构,进一步分析认为可能是Eu原子形成的翘曲结构导致的.这些结果为理解EuIn_2As_2的表面能带结构和拓扑性质提供了重要信息.     

二维应变作用下超导薄膜LiFeAs的磁性和电子性质

基于密度泛函理论的第一性原理计算,研究了二维应变作用下LiFeAs超导薄膜的磁性结构、电子能带和态密度变化,分析了应变对其超导电性的作用.结果显示,对体系施加1%—6%的二维平面张、压应变均不改变其基态条形反铁磁性结构,费米面附近的电子态密度主要来自于Fe-3d轨道电子以及少量的As-4p电子.研究发现,与无应变情形相比,当施加压应变时,体系中Fe离子的反平行的电子自旋局域磁矩减小,薄膜反铁磁性受到抑制,费米面上电子态密度增加,超导电性来自于以反铁磁超交换耦合作用为媒介的空穴型费米面和电子型费米面间嵌套的Cooper电子对.而在张应变作用时,局域反铁磁性增强,费米面上电子态密度减小,金属性减弱,特别是张应变时费米面上空穴型能带消失, Cooper电子对出现概率显著降低,将抑制超导相变.     

反铁磁半金属 EuCd2Pn2（Pn = As,Sb）中磁交换诱导的外尔态

由于丰富的拓扑量子效应及巨大的潜在应用价值,拓扑材料逐渐成为凝聚态物理前沿的研究材料体系。其中,作为与石墨烯具有相似电子结构的材料,三维拓扑半金属吸引了越来越多的研究兴趣。目前已知的拓扑半金属大多为非磁性的,而磁性拓扑半金属数量有限,与非磁性拓扑半金属相比较,研究开展的还比较少。磁性与拓扑之间的相互作用能够导致非常规的物理性质,如反常霍尔效应甚至量子反常霍尔效应等。此外,在一些具有特殊磁结构的拓扑半金属中,施加外磁场能够调制其自旋结构,从而影响其拓扑能带结构。在该综述中,笔者将详细介绍利用外磁场在 EuCd2Pn2 (Pn = As, Sb) 反铁磁半金属材料中通过调制自旋结构从而改变晶体结构对称性来诱导拓扑相变。此外,笔者也将简单介绍包括 GdPtBi 和 MnBi2Te4 在内的几个相关材料。该综述中讨论的外磁场调控的磁交换诱导的拓扑相变不仅有望应用于拓扑器件,也有助于为理解磁性与拓扑态之间的紧密关联提供新的线索,对于设计新的磁性拓扑材料有启发意义。综述最后,笔者对发展磁性拓扑半金属做了一些简单展望。     

拓扑绝缘体薄膜和有限尺寸效应

拓扑绝缘体是近年来发现的一类新的量子材料,已成为凝聚态物理的研究热点领域.厚度仅几纳米的拓扑绝缘体薄膜不但具有奇特的物理性质,而且还是拓扑绝缘体应用于平面器件的基础.文章以Bi2Se3为例,介绍了Bi2Se3家族拓扑绝缘体薄膜的分子束外延生长以及其能带、自旋结构和拓扑性质随层厚的演化.这些结果为人工调控拓扑绝缘体的电子结构和物理性质提供了指导.     

Li(Na)AuS体系拓扑绝缘体材料的能带结构

在拓扑领域中发现可以通过大数据搜索拓扑绝缘体,使得此领域对材料的探索转变为对材料性质的研究.半Heusler合金体系是非平庸拓扑绝缘体材料的重要载体.通过全势线性缀加平面波方法计算Li(Na)AuS体系拓扑绝缘体材料的能带结构.采用各种关联泛函计算LiAuS的平衡晶格常数,发现得到的能带图均为具有反带结构的拓扑绝缘体,而且打开了自然带隙.较小的单轴应力破坏立方结构后也破坏了此类拓扑绝缘体的自然带隙,通过施加单轴拉应力直到四方结构的平衡位置时,系统带隙值约为0.2 eV,这与立方结构平衡位置得到的带隙结果一致.运用同族元素替代的手段,实现了在保证材料拓扑绝缘体性质的同时,不改变立方结构,在体系的平衡晶格常数下使得材料的带隙打开,从而提高了实验合成拓扑绝缘体材料的可行性.     

拓扑绝缘体Bi_2Se_3中层堆垛效应的第一性原理研究

运用第一性原理方法,研究了拓扑绝缘体Bi_2Se_3块体和薄膜中的层堆垛对其结构、电子态、拓扑态和自旋劈裂的影响.发现不同的堆垛会引起Bi_2Se_3层间的相互作用,改变系统的中心对称性.块体的ABC和AAA堆垛都具有中心对称性和相似的能带结构.ABA堆垛破坏了体系的中心对称性,能带发生很大改变,并且产生了很大的能带自旋劈裂.用能带反转的方法判定体系的拓扑相,在不同堆垛的Bi_2Se_3块体中,考虑自旋轨道耦合时都发生了能带反转,因而具有不同堆垛的Bi2Se3仍是拓扑绝缘体.进一步研究了Bi_2Se_3薄膜中的堆垛效应,发现非中心对称的ABA堆垛在Bi_2Se_3薄膜中引起明显的自旋劈裂,并且提出和验证了用应变调控自旋劈裂的方法.     

双轴应变调控二维单层C2X2TM（X = O, H; TM=Fe, Cr） 的多铁性研究

基于密度泛函理论的第一性原理计算,系统地研究了过渡金属原子插层的单层氧化/氢化石墨烯的磁学性质和铁电性质.在考虑了电子在位库仑作用和自旋轨道耦合作用下,得到了过渡金属Fe、Cr插层形成的C₂X₂TM二维单层膜的稳定结构以及基态磁性结构,研究了不同应变作用下C₂X₂TM的磁性、能带、铁电极化以及电子结构的变化.结果发现,对于任何应变下的C₂X₂TM其基态磁性都为手性逆时针反铁磁结构.在无应变时体系存在一个较大的离子翻转势垒,通过外加双轴应变,可有效调控体系的势垒高度和能隙,发现25%应变下C₂O₂Cr和30%应变时C₂O₂Fe单层薄膜具有与GeS等二维铁电材料相近的铁电极化和翻转势垒,这些研究结果表明C₂O₂Fe(Cr)单层薄膜是一种新型二维多铁性材料.     

Slater绝缘体的磁性和能带计算研究

Slater相变是一种由于反铁磁序形成而导致的金属—绝缘体相变.本文采用第一性原理密度泛函计算方法研究了两种Slater绝缘体材料NaOsO_3和Cd_2Os_2O_7的电子结构,进而研究了反铁磁序排列、自旋轨道耦合和电子关联对其电子结构以及相变性质的影响.研究结果表明,非磁相的NaOsO_3具有金属性;而G型线性反铁磁结构是驱动NaOsO_3发生Slater相变的磁基态.此外,研究结果表明,非磁相的焦绿石Cd_2Os_2O_7的能带结构在费米能级处是连续的,表现为金属性;并且带有磁阻挫的Cd_2Os_2O_7发生Slater相变的条件十分苛刻,只有在自旋轨道耦合和1.8 eV电子关联的共同作用下一种全进—全出非线性反铁磁结构才能使其发生Slater相变.说明全进—全出非线性反铁磁结构是使Cd_2Os_2O_7发生Slater相变的磁基态,而自旋轨道耦合和1.8 eV的电子关联在消除磁阻挫上起到了关键作用.     

Mg、Ge、Te、Zn掺杂LiFePO4电子结构的第一性原理计算

本文采用第一性原理研究了Mg、Ge、Te、Zn掺杂的LiFePO4的能带结构、总态密度以及分态密度. 研究结果显示：Mg、Ge、Te、Zn掺杂的LiFePO4的带隙低于本征体系,有利于电子的跃迁.本征LiFePO4的能带与掺Mg、Ge、Te、Zn体系带隙之差分别为0.04 eV,0.263eV,0.691eV,1.251eV, 说明掺杂Mg、Ge、Te、Zn能够有效的对其能带实现精确调控.在费米能级处,Mg、Ge、Te、Zn掺杂LiFePO4的态密度主要由Fe的d轨道贡献.     

Electronic and Spin Structure of Topological Surface States in MnBi4Te7 and MnBi6Te10 and Their Modification by an Applied Electric Field

JETP Letters - The electronic and spin structure of topological surface states in antiferromagnetic topological insulators MnBi4Te7 and MnBi6Te10 consisting of a sequence of magnetic MnBi2Te4...     

Electronic Structure of Magnetic Topological Insulators Mn(Bi1 – xSbx)2Te4 with Various Concentration of Sb Atoms

JETP Letters - Intrinsic magnetic topological insulator MnBi2Te4 provides a promising platform to implement the quantum anomalous Hall effect at increased temperatures and other unique topological...     

Semimetal behavior of bilayer stanene

Stanene is a two-dimensional (2D) buckled honeycomb structure which has been studied recently owing to its promising electronic properties for potential electronic and spintronic applications in nanodevices. In this article we present a first-principles study of electronic properties of fluorinated bilayer stanene. The effect of tensile strain, intrinsic spin-orbit and van der Waals interactions are considered within the framework of density functional theory. The electronic band structure shows a very small overlap between valence and conduction bands at the Γ point which is a characteristic of semimetal in fluorinated bilayer stanene. A relatively high value of tensile strain is needed to open an energy band gap in the electronic band structure and the parity analysis reveals that the strained nanostructure is a trivial insulator. According to our results, despite the monolayer fluorinated stanene, the bilayer one is not an appropriate candidate for topological insulator.     

半Heusler型拓扑绝缘体LaPtBi能带调控的研究

采用基于密度泛函理论的全势能线性缀加平面波的方法, 研究了化学替代和施加等体积单轴(拉、压)应力两种方式对半Heusler型拓扑绝缘体LaPtBi能带的影响. 计算结果表明, 通过在LaPtBi合金中用Sc元素替换La, 或者用Pd替换Pt, 都可以使得原本受立方对称性保护的Γ₈能带在费米能级附近打开一带隙; 而对于施加等体积单轴应力来扭曲立方晶格的方式, 在使得Γ₈ 能带打开的同时, 还可以实现对费米能级位置有规律地调控, 使 LaPtBi合金最终成为真正意义上的体材料是绝缘性而表面是金属性的拓扑绝缘体.     

Topological surface states in lead-based ternary telluride Pb(Bi(1-x)Sb(x))2Te4

We have performed angle-resolved photoemission spectroscopy on Pb(Bi(1-x)Sb(x))2Te4, which is a member of lead-based ternary tellurides and has been theoretically proposed as a candidate for a new class of three-dimensional topological insulators. In PbBi2Te4, we found a topological surface state with a hexagonally deformed Dirac-cone band dispersion, indicating that this material is a strong topological insulator with a single topological surface state at the Brillouin-zone center. Partial replacement of Bi with Sb causes a marked change in the Dirac carrier concentration, leading to the sign change of Dirac carriers from n type to p type. The Pb(Bi(1-x)Sb(x))2Te4 system with tunable Dirac carriers thus provides a new platform for investigating exotic topological phenomena.     

Experimental Realization of an Intrinsic Magnetic Topological Insulator

An intrinsic magnetic topological insulator(TI) is a stoichiometric magnetic compound possessing both inherent magnetic order and topological electronic states. Such a material can provide a shortcut to various novel topological quantum effects but remained elusive experimentally for a long time. Here we report the experimental realization of thin films of an intrinsic magnetic TI, MnBi_2Te_4, by alternate growth of a Bi_2Te_3 quintuple layer and a MnTe bilayer with molecular beam epitaxy. The material shows the archetypical Dirac surface states in angle-resolved photoemission spectroscopy and is demonstrated to be an antiferromagnetic topological insulator with ferromagnetic surfaces by magnetic and transport measurements as well as first-principles calculations. The unique magnetic and topological electronic structures and their interplays enable the material to embody rich quantum phases such as quantum anomalous Hall insulators and axion insulators at higher temperature and in a well-controlled way.     

Robust surface state of intrinsic topological insulator Bi2Te2Se thin films: a first-principles study

Bi(2)Te(2)Se, a ternary tetradymite compound, has recently been identified to be a three-dimensional topological insulator. In this paper, we theoretically study the electronic structures of bulk and thin films of Bi(2)Te(2)Se employing spin-orbit coupling (SOC) self-consistently with density-functional theory. It is found that SOC plays an important role in determining the electronic properties of Bi(2)Te(2)Se. A finite bandgap opens up in the surface states of Bi(2)Te(2)Se thin films due to the hybridization of the top and bottom surface states of films. The intrinsic Bi(2)Te(2)Se thin films of three or more quintuple layers exhibit a robust topological nature of electronic structure with the Fermi energy intersecting the Dirac cone of the surface states only once between time-reversal-invariant momenta. These characteristics of Bi(2)Te(2)Se are similar to the topological behavior of Bi(2)Te(3), promising a variety of potential applications in nanoelectronics and spintronics.