【摘 要】
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拓扑绝缘体近年来在凝聚态物理、化学以及材料科学领域中引起了研究者很大的关注。拓扑绝缘体有着独特的性质：在材料内部,其电子结构跟普通的绝缘体类似；在材料的表面或者边缘
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拓扑绝缘体近年来在凝聚态物理、化学以及材料科学领域中引起了研究者很大的关注。拓扑绝缘体有着独特的性质：在材料内部,其电子结构跟普通的绝缘体类似；在材料的表面或者边缘处,却存在穿越能隙的狄拉克型的完全极化的电子态,表现出金属的性质,且这种独特性质是受时间反演对称保护的。在拓扑绝缘体中,Bi2Se3材料拥有非常简单的表面态,在其表面只存在一个狄拉克点,具有较大的体能隙(达到0.3eV)。因此Bi2Se3材料成为近年来该领域的研究热点。最近,理论上预言了Bi(111)薄膜是二维的拓扑绝缘体。(Bi2Se3)m(Bi2)n系列材料的几何结构正是由Bi2Se3中5原子层结构单元(QL)与Bi中双原子层结构单元(BL)通过一定的堆积方式而成。因此对(Bi2Se3)m(Bi2)。系列材料研究是一个非常有意义的课题。在本文中,我们从密度泛函理论和密度泛函微扰理论出发,研究了(Bi2Se3)m(Bi2)n系列材料的几何结构、电子结构和晶格动力学。此外,我们还研究了(Bi2Se3)m(Bi2)n系列材料的不同的m：n比例以及不同的终结面上拓扑表面态。分析了拓扑表面态随厚度以及不同的m:n比例变化关系。主要的研究工作有两个方面：1.(Bi2Se3)m(Bi2)n系列材料的晶格动力学研究。通过密度泛函微扰理论,我们讨论了不同比例m：n的声子结构以及声子结构随m：n值的演变。我们的计算重现了实验上观测到的BiSe中QL的Alg1模频率相对于Bi2Se3中QL的Alg1模频率发生了谱线红移,而插入的双原子层Bi的Alg模频率相对于体内Bi晶体的Alg模频率发生了谱线蓝移。当Bi2 BL插入到Bi2Se3中QL与QL之间后,由于Se原子的电负性比Bi原子大,那么部分电子会从插入层Bi2BL中转移到Bi2Se3的QL层中,因而插入层Bi2 BL与Bi2Se3 QL之间的库仑作用力代替了原来的QL与QL之间的范德瓦尔斯力,我们认为这是产生拉曼谱振动模频率红移以及蓝移的根源。通过计算声子的投影态密度,我们发现Bi2Se3 QL和Bi2 BL投影声子态密度的z分量很不匹配,阻碍大部分的光学声子沿着六角晶格的c方向传播,降低了整个晶格的热导率,从而提高了材料的热电性能。2. (Bi2Se3)m(Bi2)n系列材料的拓扑表面态研究。通过密度泛函理论,我们研究了Bi4Se3薄膜和BiSe薄膜不同终结面上的拓扑表面态。我们的计算结果表明：当薄膜较薄时,表面态存在能隙,材料是拓扑平凡的；当薄膜较厚时,表面态是拓扑非平凡的。但是,不同终结面上的拓扑表面态显示出不同的Kramers点能量和色散关系。对于Bi2Se3 QL终结面,表面带表现出非线性色散关系。我们的计算表明对其中一个QL终结面,表面态中没有出现Rashba自旋劈裂,而对另一个不等价的QL终结面,表面态中存在较小的Rashba自旋劈裂。分析认为Rashba自旋劈裂来源于自旋轨道耦合和Bi2 BL中的电荷转移到邻近的Bi2Se3 QL,并且诱发了表面的QL发生极化,从而在表面产生了较小的偶极场。对于Bi4Se3薄膜和BiSe薄膜的Bi2终结面,表面能带表现出线性色散关系和较强的Rashba自旋劈裂。我们的计算结果表明,(Bi2Se3)m(Bi2)。系列材料的拓扑表面态可以通过M：n值或者不同的终结面来调制。
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