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.     

Pb-Mg-Al合金腐蚀机理的电子理论研究

为了了解Pb-Mg-Al合金腐蚀的物理本质, 本文采用基于第一性原理的赝势平面波方法系统地计算了Pb-Mg-Al合金中各物相的结合能、费米能级和局域态密度等电子结构参数, 分析了合金的电化学腐蚀机理. 计算结果表明：Pb-Mg-Al合金中各主要组成物相稳定性大小关系为 Mg₁₇Al₁₂>Mg₂Pb>Mg;Mg,Mg₂Pb和Mg₁₇Al₁₂的费米能级存在E_f(Mg)>E_f(Mg₂Pb)>E_f(Mg₁₇Al₁₂)的关系, 说明Mg最容易失去电子, Mg₂Pb次之, Mg₁₇Al₁₂最难;局域态密度表明, 在同样的外界条件下, 体系中Mg相和Mg₂Pb相对于Mg₁₇Al₁₂均处于不稳定的状态, 容易失去电子, 即容易发生腐蚀. Pb-Mg-Al合金体系中不同物相的费米能级差构成了电化学腐蚀的电动势, 导致电子从费米能级高的Mg相和Mg₂Pb相流向费米能级低的Mg₁₇Al₁₂相, 使Pb-Mg-Al合金发生腐蚀.     

铁基Heusler合金Fe2Co1-xCrxSi的结构、磁性和输运性质的研究

基于多种实验手段和能带计算的方法, 对四元合金Fe₂Co_1-xCr_xSi的晶体结构、 磁性、输运性质及能带结构进行了研究. 研究发现, 随着Cr的增加, 合金Fe₂Co_1-xCr_xSi保持了高度有序结构, 逐渐从Hg₂CuTi结构的Fe₂CoSi 过渡到L2₁结构的Fe₂CrSi; 由于次晶格网络的破坏, 居里温度逐渐下降; 系列合金的分子磁矩呈现线性下降, 符合半金属特性; 剩余电阻比率与原子占位有序程度密切相关, 呈现两端大、 中间小的特点. 在Cr替代Co的过程中, 材料半金属能隙逐渐打开, 表现半金属特征. 同时费米能级从Fe₂CoSi半金属能隙的价带顶上移至Fe₂CrSi能隙的导带底. 最大的能隙宽度出现在x= 0.75处, 这表明四元合金有可能成为具有更高自旋极化率和更强抗干扰能力的自旋电子学材料.     

平面应力对氧化亚铜晶体四个激子线系的影响

于85℃烧焊在普通玻璃上的氧化亚铜晶体样品,在77°K时受到每平方毫米10多公斤的平面压缩应力。我们系统地研究了平面应力分别垂直晶体C₄,C₃和C₂对称轴的若干样品的青和蓝激子线系的强反射线的分裂与强度。如果用Γpoee等人的假定,认为这些线系是与Γ₇⁺-Γ₈^-和Γ₈⁺-Γ₈^-带边跃迁相关,则现有的实验事实可以满意地加以解释。同样应力对这种晶体的黄和绿类氢激子线系的影响也作了研究,关于平面应力各垂直C₄,C₃和C₂对称轴的诸情形,这些系中各线的位移已被测定,其结果指示绿系的里德伯常数和线系极限受平面应力的影响比黄系的大得多。     

单轴应变Si导带色散关系解析模型

本文基于k·p 理论框架, 分析了单轴应力对导带能带结构的影响, 详细讨论了剪切应力作用下布里渊区边界X点处Δ₁和Δ_2′ 能带之间的耦合作用及其对导带能谷极小值的改变, 由此进一步给出了能谷极值点附近的色散关系. 最后通过不同能谷之间的坐标变换, 得到了任意单轴应力作用下每个能谷的色散关系. 本文的研究可以为单轴应变Si材料物理性质的理解以及对反型层能带结构、电学特性的相关研究提供一定的理论参考.     

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.     

Heusler合金Li2AlX(X=Ga，In)的晶格动力学和电子特性

本文计算了Heusler合金Li₂AlGa和Li₂AlIn的晶格参数、体积模量、体积模量的一阶导数、 电子能带结构、声子色散曲线和声子态密度,并与密度泛函理论中的广义梯度近似计算结果进行比较. 计算的晶格参数与文献有很好的一致性. 两个Heusler合金的电子能带结构表明它们是半金属结构. 并利用声子色散曲线和声子密度图研究Heusler合金晶格动力学. Li₂AlGa和Li₂AlIn Heusler合金在基态呈现动力学稳定.     

基于自洽GW方法的碳化硅准粒子能带结构计算

在多体微扰理论的框架下, 分别采用G₀W₀方法和准粒子自洽GW方法计算3C-SiC和2H-SiC的准粒子能级. 由一个平均Monkhorst-Pack网格点上的准粒子能级和准粒子波函数出发, 结合最局域Wannier函数插值, 得到3C-SiC和2H-SiC的自洽准粒子能带结构. 3C-SiC的价带顶在Γ点, 导带底在X点. DFT-LDA, G₀W₀和准粒子自洽GW给出的3C-SiC间接禁带宽度分别为 1.30 eV, 2.23 eV和2.88 eV. 2H-SiC价带顶在Γ 点, 导带底在K点. 采用DFT-LDA, G₀W₀和准粒子自洽GW方法得到的间接禁带宽度分别为2.12 eV, 3.12 eV和 3.75 eV. 计算基于赝势方法, 对于3C-SiC和2H-SiC的准粒子自洽GW计算给出的禁带宽度均比实验值略大.     

萤石结构TiO2的电子结构和光学性质

利用第一性原理计算了立方相萤石TiO₂的晶胞参数，能带结构和电子态密度.结果显示萤石TiO₂属于间接带隙半导体材料，其间接禁带宽度(Γ→X)E_g为2.07eV，比常见的金红石和锐钛矿TiO₂的禁带宽度窄.为了更清楚地了解萤石的光学性质，利用Kramers-Kronig色散关系，分别对萤石和金红石TiO₂的复介电常数、吸收率等参数进行了计算，并将二者结果做了     

自辐射场下PuO分子光谱研究

在相对论有效原子实势近似下, 以Pu为SDD基组、O为6-311+G^*基组, 采用优选的密度泛函 B3LYP方法, 研究了用电场摸拟钚本身产生自辐射场(-0.005—0.005 a.u.) 作用下氧化钚(PuO)基态分子的最高占据轨道(HOMO)能级E_H、最低空轨道(LUMO)能级E_L、能隙E_g和费米能级E_F. 结果表明: 在所加的电场范围内, E_H随着电场的增加均逐渐减少, E_F随着电场的增加均逐渐增大, E_g始终处于增大的趋势, 费米能级E_F上升, 占据轨道的电子难以被激发至空轨道而形成激发态, PuO分子在自辐射场中更趋于稳定, 可以阻止O₂, H₂等扩散到表面内层而腐蚀钚表面, 有利于了钚在自辐射场中抗腐蚀.     

A simple tight-binding approach to topological superconductivity in monolayer MoS_2

Monolayer molybdenum disulfide(MoS_2) has a honeycomb crystal structure.Here,with considering the triangular sublattice of molybdenum atoms,a simple tight-binding Hamiltonian is introduced(derived) for studying the phase transition and topological superconductivity in MoS_2 under uniaxial strain.It is shown that spin-singlet p+ip wave phase is a topological superconducting phase with nonzero Chern numbers.When the chemical potential is greater(smaller) than the spin-orbit coupling(SOC) strength,the Chern number is equal to four(two) and otherwise it is equal to zero.Also,the results show that,if the superconductivity energy gap is smaller than the SOC strength and the chemical potential is greater than the SOC strength,the zero energy Majorana states exist.Finally,we show that the topological superconducting phase is preserved under uniaxial strain.     

New family of three-dimensional topological insulators with antiperovskite structure

All known topological insulators are crystallographically related to either the noncentrosymmetric zinc-blende HgTe-type family or to the hexagonal centrosymmetric Bi2Se3 one. Through first-principles calculations, here we show evidence that under a proper uniaxial strain cubic ternary centrosymmetric antiperovskite compounds (M3N)Bi (M=Ca, Sr, and Ba) are three-dimensional topological insulators. This proposed family of materials is chemically inert and the lattice structure is well matched to important semiconductors, which provides a rich platform to easily integrate with electronic devices.     

Strain Effects on Properties of Phosphorene and Phosphorene Nanoribbons: a DFT and Tight Binding Study

We perform comprehensive density functional theory calculations of strain effect on electronic structure of black phosphorus(BP) and on BP nanoribbons. Both uniaxial and biaxial strain are applied, and the dramatic change of BP's band structure is observed. Under 0-8% uniaxial strain, the band gap can be modulated in the range of 0.55-1.06 eV, and a direct-indirect band gap transition causes strain over 4% in the y direction. Under 0-8% biaxial strain, the band gap can be modulated in the range of 0.35-1.09 eV, and the band gap maintains directly.Applying strain to BP nanoribbon, the band gap value reduces or enlarges markedly either zigzag nanoribbon or armchair nanoribbon. Analyzing the orbital composition and using a tight-binding model we ascribe this band gap behavior to the competition between effects of different bond lengths on band gap. These results would enhance our understanding on strain effects on properties of BP and phosphorene nanoribbon.     

（110）应变对立方相Ca2Si能带结构及光学性质的影响

采用第一性原理贋势平面波方法对(110)应变下立方相Ca2P0.25Si0.75的能带结构及光学性质进行模拟计算,全面分析了应变对Ca2P0.25Si0.75能带结构、光学性质的影响。计算结果表明：在92%~100%压应变范围内随着应变的逐渐增大导带向低能方向移动,价带向高能方向移动,带隙呈线性逐渐减小,但始终为直接带隙;在100%~102%张应变范围内随着应变的增加,带隙呈逐渐增大,应变达到102%直接带隙最大Eg=0.54378eV;在102%~104%应变范围内随着应变的增加,带隙逐渐减小;当应变大于104%带隙变为间接带隙且带隙随着应变增大而减小。施加应变Ca2P0.25Si0.75的介电常数、折射率均增大;施加压应变吸收系数增加,反射率减小;施加张应变吸收系数减小,反射率增加。综上所述,应变可以改变Ca2P0.25Si0.75的电子结构和光学常数,是调节Ca2P0.25Si0.75光电传输性能的有效手段。     

（110）应变对立方相Ca2Si能带结构及光学性质的影响

采用第一性原理贋势平面波方法对(110)应变下立方相Ca2P0.25Si0.75的能带结构及光学性质进行模拟计算,全面分析了应变对Ca2P0.25Si0.75能带结构、光学性质的影响。计算结果表明：在92%~100%压应变范围内随着应变的逐渐增大导带向低能方向移动,价带向高能方向移动,带隙呈线性逐渐减小,但始终为直接带隙;在100%~102%张应变范围内随着应变的增加,带隙呈逐渐增大,应变达到102%直接带隙最大Eg=0.54378eV;在102%~104%应变范围内随着应变的增加,带隙逐渐减小;当应变大于104%带隙变为间接带隙且带隙随着应变增大而减小。施加应变Ca2P0.25Si0.75的介电常数、折射率均增大;施加压应变吸收系数增加,反射率减小;施加张应变吸收系数减小,反射率增加。综上所述,应变可以改变Ca2P0.25Si0.75的电子结构和光学常数,是调节Ca2P0.25Si0.75光电传输性能的有效手段。     

Phase Transition and Band Structure Tuned by Strains in Al_(1/2)Ga_(1/2)N Alloy of Complex Structure

Phase transition and band structure tuned by uniaxial and biaxial strains are systematically investigated based on the density-functional theory for ordered Al_(1/2)Ga_(1/2)N alloys of complex structures.Although the structural transformations to graphite-like from wurtzite are energetically favorable for both types of strain,the phase transitions are different in nature:the second-order transition induced by uniaxial strain is jointly driven by the mechanical and dynamical instabilities and the first-order transition by biaxial strain only by the mechanical instability.The wurtzite phase always shows the direct band gap,while the band gap of the graphite-like phase is always indirect.Furthermore,the band gaps of the wurtzite phase can be reduced by both types of strain,while that of the graphite-like phase is enhanced by uniaxial strain and is suppressed by biaxial strain.     

Effect of deformation on the electronic structure and topological properties of the A<Superscript>II</Superscript>Mg<Subscript>2</Subscript>Bi<Subscript>2</Subscript> (A<Superscript>II</Superscript> = Mg,Ca,Sr,Ba) compounds

The electronic structure and topological properties of the A^IIMg₂Bi₂ (A^II = Mg,Ca,Sr,Ba) compounds are theoretically studied with the use of exact exchange. It is found that the Mg₃Bi₂ compound in the equilibrium state is a semimetal, whereas three other compounds are semiconductors with a direct fundamental band gap. It is predicted that the uniaxial deformation of three-component compounds results in transitions to topologically nontrivial phases: topological insulator and topological and Dirac semimetals. Owing to such a rich variety of topologically nontrivial phases, these compounds may be of interest for further theoretical and experimental studies.     

量子局域效应和应力对GaSb纳米线电子结构影响的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法, 研究了不同晶体结构和尺寸的GaSb纳米线能带结构特性和载流子的有效质量, 以及单轴应力对GaSb纳米线能带结构的调控. 研究结果表明: 闪锌矿结构[111]方向和纤锌矿结构[0001]方向的小尺寸GaSb纳米线均出现间接带隙的能带结构, 并可通过单轴应力来实现纳米线能带结构由间接带隙到直接带隙的转变, 其中, 闪锌矿结构[111]方向GaSb纳米线仅在受到单轴拉伸应力时才发生能带由间接带隙到直接带隙的转变, 而纤锌矿结构[0001]方向GaSb纳米线无论受单轴拉伸还是压缩应力的作用均可实现能带由间接带隙到直接带隙的转变; [111]和[0001]方向GaSb纳米线的带隙和载流子有效质量与纳米线直径呈非线性关系, 并随纳米线直径的减小而增大; 同一方向和尺寸的GaSb纳米线, 其空穴有效质量要小于电子有效质量, 这表明小尺寸GaSb纳米线有利于空穴载流子输运.     

单轴应变对氮化铟电子结构及光学性质的影响

采用密度泛函理论框架下的第一性原理平面波赝势方法,计算单轴应变下闪锌矿氮化铟的电子结构及光学性质.结果表明：施加应变会使带隙变窄.对于拉应变,随着应变增大带隙减小程度增大;对于压应变,随应变增大带隙减小程度减弱;且拉、压应变对带隙调控都是线性的.在能量区间4 eV~12 eV范围内施加应变时,氮化铟的吸收光谱发生红移,随拉应变程度增加,吸收光谱的红移进一步加大;随压应变增加,吸收光谱红移减弱;在该范围内,氮化铟的折射率、反射率随拉应变的增大而增加,随压应变增加减小;施加拉应变时能量损失函数峰值增大,施加压应变后能量损失函数峰值减小.通过施加单轴应变能有效调节氮化铟材料的电结构及光学性质.