基于结构反转二维光子晶体的拓扑相变及拓扑边界态的构建

构建了二维六角蜂窝晶格的两种结构,让散射体和基体材料反转.由于特有的点群对称,该晶格在布里渊区中心具有类比电子体系的p轨道和d轨道.在散射体和基体反转的两种结构中, p轨道和d轨道也直接实现了反转.定量分析了产生轨道反转的原因来自于低频局域共振产生空气带和介质带的反转.通过p轨道和d轨道的宇称特性,构建了类比电子体系量子自旋霍尔效应的赝自旋态.通过Γ点处有效哈密顿量的分析,揭示轨道反转导致的拓扑相变.通过结构的优化,构建了基于赝自旋的拓扑边界态.电磁波仿真模拟和能流矢量分析证明了结构具有电子体系量子自旋霍尔效应的特性,即自旋与传播方向锁定和拓扑保护.结果也证明经典波量子自旋霍尔效应的实现可以不经历带隙关闭的过程.与同类型的研究相比较,本文的结构不需要晶格的缩放,具有设计简单、带隙宽和边界态局域性较强的特点.     

局域交换场和电场调控的锗烯纳米带自旋过滤效应

基于非平衡格林函数方法,理论研究了Z轴方向局域交换场和电场对锗烯纳米带中电子自旋极化输运性质的影响.结果表明对锗烯的边缘区域施加强度大于其2倍有效自旋轨道耦合强度的交换场,可使自旋向上和向下电子的能带在不同的能量区间产生带隙,从而实现对不同自旋取向电子的100%过滤.提出了一种利用电场辅助降低自旋过滤效应所需阈值交换场强度的方法.研究表明,同时对中心器件区域施加局域交换场和电场,可以在小于有效自旋轨道耦合的弱交换场强度下,在较大的能量窗口区域过滤自旋向上或向下的电子.增大局域交换场强度,自旋过滤效应所对应的能量区间显著增大.     

电场调控双层石墨烯纳米带的电子结构和光学性质

利用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了外加电场作用下双层AA堆垛的Armchair边缘石墨烯纳米带(BAGNRs)的电子结构和光学性质. BAGNRs具有半导体特性,其带隙随带宽(宽度为4～12个碳原子)的增加而振荡性减小.当施加电场后,BAGNRs的带隙随着电场强度的增加而逐渐减小,带隙越大对电场值的变化越敏感.当电场值为0.5 V/?时,所有BAGNRs的带隙都为零. BAGNRs具有各向异性的光学性质,其介电函数在垂直极化方向为半导体特性,而在平行极化方向为金属特性.在外加电场的作用下,BAGNRs的介电函数、吸收系数、折射系数、反射系数、电子能量损失系数和光电导率,其峰值向低能量区域移动,即产生红移现象.电场增强了能带间的跃迁几率.纳米带宽度对这些光学性质参数具有不同程度的影响.研究结果解释了电场调控BAGNRs光学性质的规律和微观机理.     

圆偏振光场调控的锡烯纳米带热自旋输运

利用非平衡格林函数方法理论研究了光场和电场对锡烯纳米带自旋相关热电效应的影响.研究表明,热电电流的性质和强度可以通过圆偏振光场的强度和偏振化方向进行有效调控.在较强的左旋圆偏振光场和电场的共同作用下,锡烯自旋向下的边缘态发生相变形成带隙,通过温度梯度的驱动可以获得100%极化的自旋向下的自旋流.当施加右旋偏振光时,自旋向上的边缘态被破坏,可以产生完全极化的自旋向上的热自旋流.在较弱的外场作用下,边缘态的性质不发生改变,系统不对外输出热电电流.此外,研究表明热自旋流的大小与带隙的宽度有关,适度地增加温度可以显著增大热自旋流的峰值,但是较高的平衡温度和温度梯度将抑制自旋热电效应.     

二维声子晶体中简单旋转操作导致的拓扑相变

构建了一种简单的二维声子晶体:由两个横截面为三角形的钢柱所组成的复式元胞按三角点阵的形式排列在空气中,等效地形成了一个蜂巢点阵结构.当三角形钢柱的取向与三角点阵的高对称方向一致时,整个体系具有C_(6v)对称性.研究发现:在保持钢柱填充率不变的条件下,只需要将所有三角柱绕着自己的中心旋转180°,就可实现二重简并的p态和d态在布里渊区中心Γ点处的频率反转,且该能带反转过程实质上是一个拓扑相变过程.通过利用Γ点的P态和d态的空间旋转对称性,构造了一个赝时反演对称性,并在声学系统中实现了类似于电子系统中量子自旋霍尔效应的赝自旋态.随后通过k·p微扰法导出了Γ点附近的有效哈密顿量,并分别计算了拓扑平庸和非平庸系统的自旋陈数,揭示了能带反转和拓扑相变的内在联系.最后通过数值模拟演示了受到拓扑不变量保护的声波边界态的单向传输行为和对缺陷的背向散射抑制.文中所研究的声波体系,尽管材料普通常见,但其拓扑带隙的相对宽度超过21%,比已报道的类似体系的带隙都要宽,且工作原理涵盖从次声波到超声波的很大频率范围,从而在实际应用上具有较大的优势和潜力.     

基于石墨烯电极的Co-Salophene分子器件的自旋输运

采用基于非平衡格林函数结合第一性原理的密度泛函理论的计算方法,研究了基于锯齿型石墨纳米带电极的Co-Salophene分子器件的自旋极化输运性质.计算结果表明,当左右电极为平行自旋结构时,自旋向上的电流明显大于自旋向下的电流,自旋向下的电流在[-1V,1V]偏压下接近零,分子器件表现出优异的自旋过滤效应.与此同时,在自旋向上电流中发现负微分电阻效应.当左右电极为反平行自旋结构时,器件表现出双自旋过滤和双自旋分子整流效应.除此之外,整个分子器件还表现出较高的巨磁阻效应.通过分析器件的自旋极化透射谱、局域态密度、电极的能带结构和分子自洽投影哈密顿量,详细解释该分子器件表现出众多特性的内在机理.研究结果对设计多功能分子器件具有重要的借鉴意义.     

Mn掺杂对半金属铁磁体Fe_2Si电磁特性的影响

此文用基于密度泛函理论第一性原理的贋势平面波方法,计算了Fe_2Si及Mn掺杂Fe_2Si体系的能带结构、电子态密度和磁学特性,分析了不同位置Mn掺杂对Fe_2Si电磁特性的影响,获得了纯的和不同位置Mn掺杂的Fe_2Si体系是铁磁体,自旋向上的能带结构穿过费米面表现金属特性,纯Fe_2Si的半金属隙为0.164e V;Mn掺杂在Fe1位时,自旋向下部分转变为A-M间的间接带隙半导体,体系呈现半金属特性,此时磁矩为2.00μB,是真正的半金属性铁磁体;掺杂在Fe2位时,自旋向下部分的带隙值接近于0,体系呈现金属特性;掺杂在Fe3位时,自旋向下部分转变为L-L间的直接带隙半导体,体系呈现半金属特性等有益结果 .自旋电荷密度分布图表明Mn原子的3d电子比较局域,和周围原子成键时3d电子更倾向于形成共价键.体系的半金属性和磁性主要来源于Fe-3d电子与Mn-3d电子之间的d-d交换,Si-3p电子与Fe、Mn-3d电子之间的p-d杂化.这些结果为半金属铁磁体Fe_2Si的电磁调控提供了有效的理论指导.     

第一性原理研究In,N共掺杂SnO2材料的光电性质

采用全电势线性缀加平面波(FP-LAPW)的方法,基于密度泛函理论第一性原理结合广义梯度近似(GGA),运用Wien2k软件计算了In, N两种元素共掺杂SnO₂材料的电子态密度和光学性质. 研究表明,共掺杂结构在自旋向下和向上两方向上都出现细的局域能级,两者态密度分布不对称;带隙内自旋向下方向上产生局域能级,共掺化合物表现出半金属性;能带结构显示两种共掺杂化合物仍为直接禁带半导体,价带顶随着N浓度的增加发生向低能方向移动,带隙明显增宽;共掺下的介电函数虚部主介电峰只在8.58 eV 关键词： 电子结构 态密度 能带结构 光学性质     

外加横向电场作用下石墨烯纳米带电子结构的密度泛函紧束缚计算

采用基于密度泛函理论的紧束缚方法计算研究了外加横向电场对边缘未加氢/加氢钝化的扶手椅型石墨烯纳米带的电子结构及电子布居数的影响.计算结果表明,石墨烯纳米带的能隙变化受其宽带影响.当施加沿其宽度方向的横向外加电场时,纳米带的能带结构及态密度都会产生较大的变化.对于具有半导体性的边缘未加氢纳米带,随着所施加电场强度的增加,会发生半导体-金属的转变.同时,电场也会对能级分布产生显著影响.外加电场导致纳米带内原子上电子布居数分布失去对称性,电场强度越大,其布居数不对称性越明显.边缘加氢钝化可以显著改变纳米带内原子上的布居数分布.     

石墨烯纳米带的制备与电学特性调控

石墨烯由于其独特的晶体结构展现出了特殊的电学特性,其导带与价带相交于第一布里渊区的六个顶点处,形成带隙为零的半金属材料,具有优异的电子传输特性的同时也限制了其在电子学器件中的使用.因而科研人员尝试各种方法来打开其带隙并调控其能带特性,主要有利用缺陷、应力、掺杂、表面吸附、结构调控等手段.其中石墨烯纳米带由于量子边界效应和限制效应,存在带隙.本综述主要介绍了制备各类石墨烯纳米带的方法,并通过精确调控其细微结构,从而对其进行精确的能带调控,改变其电学特性,为其在电子学器件中的应用提供一些可行的方向.     

Effects of electric and magnetic fields on electronic states and transport of a Hall bar

We study the edge-state band and transport property for a HgTe/CdTe quantum well Hall bar under the combined coupling of a transverse electric field and a perpendicular magnetic field. It is demonstrated that a weak magnetic field can protect one of the two edge states, open or enlarge a gap of the other edge state in the Hall bar. However, an appropriate electric field can remove the gap, restoring the quantum spin Hall effect. Using the scattering matrix method, we study the electronic transport of the system. We find that the electric field can not only make the switch from pure spin-up to spin-down current, but also open or close the edge-state channels in a narrow Hall bar under a weak magnetic field, which provides us with a new way to construct a topological insulator-based spin switch and charge switch.     

含单排线缺陷锯齿型石墨烯纳米带的电磁性质

基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了含单排线缺陷锯齿型石墨烯纳米带(ZGNR)的电磁性质,主要计算了该缺陷处于不同位置时的能带结构、透射谱、自旋极化电荷密度、总能以及布洛赫态.研究表明,含单排线缺陷的ZGNR和无缺陷的ZGNR在非磁性态和铁磁态下都为金属.虽然都为金属,但其呈金属性的成因有差异.在反铁磁态下,单排线缺陷越靠近ZGNR的边缘,对ZGNR电磁性质的影响越明显,缺陷由ZGNR对称轴线向边缘移动过程中,含单排线缺陷的ZGNR有一个半导体-半金属-金属的相变过程.虽然线缺陷靠近中线的ZGNR为半导体,但由于缺陷引入新的能带,导致含单排线缺陷的ZGNR的带隙小于无缺陷ZGNR的带隙.单排线缺陷紧邻边界时,含缺陷ZGNR最稳定;单排线缺陷位于次近邻边界位置时,含缺陷ZGNR最不稳定.在反铁磁态下,对单排线缺陷位于对称轴线的ZGNR施加适当的横向电场,可以实现半导体到半金属的转变.这些研究结果对于发展基于石墨烯的纳米电子器件有重要的意义.     

Band gap opening in zigzag graphene nanoribbon modulated with magnetic atoms

The effects of magnetic atom on the band structure of zigzag-edged graphene nanoribbons are investigated by the density functional theory. The results show that for narrow zigzag-edged graphene nanoribbons, the band gap can be opened duo to the spin-up/spin-down charges being re-enriched on the edge sites. However, for the wide zigzag-edged graphene nanoribbons, a spin-up/spin-down half-metallic property can be observed. Moreover, it is found that the Seebeck coefficients in the narrow zigzag-edged graphene nanoribbons are reversed and enlarged, which provides a way to design novel thermoelectric device.     

应变对两层半氢化氮化镓薄膜电磁学性质的调控机理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理模拟计算,研究了在应变作用下两层半氢化氮化镓纳米薄膜的电学和磁学性质.没有表面修饰的两层氮化镓纳米薄膜的原子结构为类石墨结构,并具有间接能隙.然而,当两层氮化镓纳米薄膜的一侧表面镓原子被氢化时,该纳米薄膜却依然保持纤锌矿结构,并且展示出铁磁性半导体特性.在应变作用下,两层半氢化氮化镓纳米薄膜的能隙可进行有效调控,并且它将会由半导体性质可转变为半金属性质或金属性质.这主要是由于应变对表面氮原子的键间交互影响和p-p轨道直接交互影响之间协调作用的结果.该研究成果为实现低维半导体纳米材料的多样化提供了有效的调控手段,为其应用于新型电子纳米器件和自旋电子器件提供重要的理论指导.     

Band structure and edge states of star-like zigzag graphene nanoribbons

Connecting three zigzag graphene nanoribbons(ZGNRs) together through the sp~3 hybrid bonds forms a star-like ZGNR(S-ZGNR). Its band structure shows that there are four edge states at k = 0.5, in which the three electrons distribute at three outside edge sites, and the last electron is shared equally(50%) by two sites near the central site. The lowest conductance step in the valley is 2, two times higher than that of monolayer ZGNR(M-ZGNR). Furthermore, in one quasithree-dimensional hexagonal lattice built, both of the Dirac points and the zero-energy states appear in the band structure along the z-axis for the fixed zero k-point in the x-y plane. In addition, it is an insulator in the x-y plane due to band gap 4 eV, however, for any k-point in the x-y plane the zero-energy states always exist at k_z = 0.5.     

Energy Gap and Charge Transfer in Doped Quasi-One-Dimensional π-Conjugated Organic Ferromagnetic

The effects of polarons along main chain and spin-soliton-like along side-radical lattice in doped quasi-one-dimensional π-conjugated organic ferromagnets are studied by selfconsistent method. It is shown that the gap of spin-down and spin-up mid energy bands of the system decreases because new energy levels of localization states appear. The stability of organic ferromagnetic system is weakened with decreasing of the gap. In addition, it is also shown that there is charge transfer between main chain and side-radical lattice of the doped system.     

Quantum spin Hall effect in a square-lattice model under a uniform magnetic field

We study a toy square-lattice model under a uniform magnetic field. Using the Landauer-Bttiker formula, we calculate the transport properties of the system on a two-terminal, a four-terminal and a six-terminal device. We find that the quantum spin Hall (QSH) effect appears in energy ranges where the spin-up and spin-down subsystems have different filling factors. We also study the robustness of the resulting QSH effect and find that it is robust when the Fermi levels of both spin subsystems are far away from the energy plateaus but is fragile when the Fermi level of any spin subsystem is near the energy plateaus. These results provide an example of the QSH effect with a physical origin other than time-reversal (TR) preserving spin-orbit coupling (SOC).     

四种材料构成的超晶格能带结构的研究

本文对由AIAs,AIyGl-yAs、AIxGal-xAs和GaAs四种材料构成的超晶格价带的自旋劈裂进行了研究.通过改变材料组分和层厚,发现当超晶格单胞对其中心点是不对称结构时,对应的自旋向上和自徒向下的子带产生劈裂,而且劈裂主要发生在重空穴带和轻空穴带相互作用较强的地方.