第二代拓撲絕緣體高壓下的行為和物理機制的研究

《第二代拓撲絕緣體高壓下的行為和物理機制的研究》是依託吉林大學，由包括擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：第二代拓撲絕緣體高壓下的行為和物理機制的研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：包括
• 依託單位：吉林大學

項目摘要

拓撲絕緣體是一種新的量子物質態，它奇特的電子結構和廣闊的套用前景引起了巨大的研究興趣。受時間反演對稱性保護的電子態和強烈自旋軌道耦合是其基本特徵。壓力對物質的結構和性質產生普遍的影響，揭示出其他手段不能得到的新現象、新性質和新結構。壓力下拓撲絕緣體的性質及演化規律還鮮有人涉及。通常壓力作用使能帶交疊，物質金屬化，拓撲絕緣體能隙受到時間反演對稱性的保護，與壓力作用形成矛盾；根據物質的不同，壓力對自旋軌道耦合強度表現出破壞或增強，任何情況都會影響拓撲絕緣體的性質。以上兩個問題涉及拓撲絕緣的最基本特徵，且尚無答案。同時壓力會導致相變，影響物質性能。本項目擬採用緊束縛近似，從解析理論出發，對有代表性的第二代拓撲絕緣體Bi2Se3，Bi2Te3和Sb2Te3在壓力作用下其自旋軌道耦合、電子結構的變化規律，以及壓力對晶體結構的影響，建立壓力-自旋軌道耦合-電子結構間相互關係，探索壓力對其影響。

結題摘要

拓撲絕緣體是一種新的量子物質態，它奇特的電子結構和廣闊的套用前景引起了巨大的研究興趣。傳統理論和實驗認識的拓撲絕緣體，純在合成困難，純度要求高等缺陷。壓力對物質的結構和性質產生普遍的影響，揭示出其他手段不能得到的新現象、新性質和新結構。鉍元素為氮族最重的元素，過渡金屬有豐富的價電子和軌道耦合效應，在高壓下表現出豐富的物理性質，過渡金屬化合物中過渡金屬原子軌道與簡單原子軌道發生雜化，會產生豐富的物理現象，可能會導致拓撲絕緣性。是否可能存在結構簡單，生成條件相對廉價溫和的拓撲絕緣體材料，其電子結構特性，壓力特性等問題是本課題的核心內容。本課題系統地研究了ⅦB過渡金屬氮化物在壓力作用下的晶格結構，電子結構等特點，發現了多種新型結構，其中一些存在奇特的晶格對稱性和電子結構，有可能成為廉價的拓撲絕緣體材料，研究了它們的生成條件，電子結構等重要物理信息。 項目對傳統第二代拓撲絕緣體，如：Bi2Se3，Bi2Te3和Sb2Te3，有類似晶體及電子結構的過渡金屬氮化物進行搜尋，以尋找有C4、C6對稱性，易合成的拓撲絕緣體材料。本課題採用第一性計算原理方法，充分考慮了過渡金屬原子可能存在的強關聯效應，及氮的贗勢特殊性可能給計算結果的準確性帶來的困難，系統的搜尋了錸氮、鎝氮、和錳氮等化物的可能結構，研究了其電子結構特點。探索多種化學配比錸氮化合物並給出全新的Re-N相圖，研究了氮含量對材料晶體結構、電子結構。發現隨著氮含量的增加，Re-N化合物的結構有層狀排列結構轉化為3D多面體堆疊結構，費米能級處DOS值降低，化合物的金屬性降低，Re 5d電子和N 2p電子的雜化作用增強；發現鎝氮化物構演化規律與錸氮化合物規律近似，隨著氮濃度的增加，氮元素逐漸構成空間格線，電子結構演化上的規律也與錸氮化合物近似，發現室溫條件下即可合成富金屬Tc的Tc3N和Tc2N化合物，發現TcN3和TcN4是潛在的超不可壓縮硬質材料；得到了得到5個在零溫常壓下可以存在的富氮Mn-N相。發現隨著氮含量的增加，富氮錳氮化合物中的金屬傳導電子數量顯著降低，氮含量最高的oP24-MnN5是半導體，填補了長期以來錳氮相圖上富氮錳氮化合物的空白，提高氮的濃度可以從而的抑制材料中的金屬自由電子，並導致強的金屬d軌道和N的p軌道的雜化，形成空間三維共價網路。以上結果表明，通過氮的濃度的改變，可以有效的改變晶體的對稱性和電子結構。