磁性摻雜拓撲絕緣體的第一性原理研究

《磁性摻雜拓撲絕緣體的第一性原理研究》是依託福建師範大學，由張健敏擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：磁性摻雜拓撲絕緣體的第一性原理研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：張健敏
• 依託單位：福建師範大學

項目摘要

作為一類全新的量子物質，拓撲絕緣體具有迷人的絕緣和導電雙重特性，結合鐵磁序又能夠導致更多新奇的量子效應，在量子計算機和自旋電子學等領域具有廣闊的套用前景。本項目將利用第一性原理計算結合蒙特卡羅模擬方法研究磁性摻雜拓撲絕緣體材料，集中開展以下幾個工作：1.從材料生長的角度研究磁性拓撲絕緣體材料中磁性雜質及缺陷態等微結構的存在及形成條件，從原理上評估和預測磁性摻雜拓撲絕緣體形成鐵磁序的可能性，為實驗製備提供理論參考和指導。2.在微觀磁相互作用與巨觀磁特性比較的基礎上，闡明微結構對磁性拓撲絕緣體的拓撲特性、電學性質、磁性的影響，揭示拓撲絕緣體中實現鐵磁序的規律。3.結合外場（電場、磁場、應力）調控分析磁性拓撲絕緣體中拓撲性、電子結構和鐵磁性之間的關聯，進一步探索鐵磁拓撲絕緣的磁性耦合機理。通過項目研究指導鐵磁絕緣體的實驗獲取，為新奇量子現象的發現提供準備，並為磁性拓撲絕緣體的工業套用奠定基礎。

結題摘要

拓撲絕緣體與磁性的結合會產生一些重要且有趣的物理現象。研究人員發現在磁性摻雜的拓撲絕緣體中會出現磁電效應、量子化的反常霍爾效應等新奇量子現象，因而在量子計算機和自旋電子學等領域具有廣闊的套用前景。 本項目主要通過第一性原理計算結合蒙特卡羅模擬方法研究磁性摻雜拓撲絕緣體材料。取得的主要成果包括：（1）找到了純Bi2Se3拓撲絕緣體薄膜外電場作用下系統能帶演化的規律。發現體系帶隙大小由電荷轉移和自旋軌道耦合的競爭決定。（2）通過外加電場作用可以有效調控Cr摻雜Bi2Se3薄膜的能帶結構，這對於拓撲絕緣體材料的拓撲相變研究及實驗改性提供了有力的參考。（3）獲得了外加應力作用下拓撲絕緣體Bi2Se3能帶的演化規律。（4）找到了Bi2(Te1-xSex)3薄膜能帶調控機制，獲得了合適的合金成分比例，為實驗製備真正拓撲絕緣體提供指導，該結果為拓撲絕緣體合金材料設計及實驗製備提供了重要的理論參考。（5）發現Cr摻雜Bi2Se3體系中磁性原子間最近鄰的交換耦合及溫度對系統磁性具有重要影響，並給出了對應的變化關係。 系列研究成果表明外加電場、外加應力及替代摻雜能夠有效的調控拓撲絕緣體的物性，相關結果為人們加深對磁性拓撲絕緣體相變、耦合機制等研究提供了重要的幫助，也為實驗調控提供了重要依據，並為磁性拓撲絕緣體的工業套用奠定基礎。 我們還研究了（1）自旋零帶隙半導體PbPdO2薄膜的生長機理和外加電場調控並在實驗上成功製備了不同擇優取向的薄膜樣品。（2）利用第一性原理研究方法系統研究了缺陷、替代、摻雜等對Ni/HfO2界面有效功函式的影響，並提出了多種有效的外場調控方案。