磁性二维多层范德华体系轨道磁化及拓扑性的第一性原理研究

来源 :中国科学技术大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:dalang003
下载到本地 , 更方便阅读
声明 : 本文档内容版权归属内容提供方 , 如果您对本文有版权争议 , 可与客服联系进行内容授权或下架
论文部分内容阅读
近年来发展起来的二维材料家族种类众多、性质丰富,在未来微电子器件等领域具有巨大的应用前景。与传统三维材料相比,除了维度效应带来的各种新奇物性,二维材料的一个显著特点是其便于多层异质堆叠,层间通过较弱的范德华相互作用连接而不形成强的化学键。这不仅有利于将具有不同性质的二维材料相互堆叠组合成具有新的性质的异质结,同时还可以对二维多层体系通过施加垂直于二维面的应力、电场,或者通过层间滑移等方式改变层间相互作用,进而调控二维多层体系整体的性质。这极大地增加了二维材料的研究空间和应用潜力。本文主要通过理论计算,探索二维多层磁性范德华体系所能够呈现的新奇物性,设计了一种可以实现量子反常霍尔效应的双层二维磁性异质体系,提出通过外电场产生并调控双层二维层间反铁磁体系中轨道磁化的方案。此外,为了提升二维范德华体系的计算模拟的可靠性,我们发展了两个新的范德华泛函理论计算方法。本论文主要包括以下六个章节:在第一章,我们首先简要介绍二维材料家族,并着重介绍本文所关注的二维铁磁材料,详细探讨几种重要的二维铁磁材料,尤其是其层间堆叠方式与层间磁相互作用之间的关系。随后,我们简要介绍材料的拓扑物态,尤其是量子反常霍尔态的研究现状。在第二章,我们介绍本文所使用的第一性原理计算方法和与研究课题相关的理论基础,包括密度泛函理论、紧束缚近似和Wannier函数、电子的Berry相位等。在第三章,我们针对现有的范德华泛函不能很好地处理二维材料中层间范德华相互作用的问题,发展了两个新的范德华泛函方法rDW99和DFT-D3sep。我们同时给出了 Lindhard函数及极化率在实空间具有解析形式的近似解。在第四章,我们通过第一性原理计算,设计通过将原本拓扑平庸的二维铁磁CrI3单层与ScCl2单层相堆叠形成双层二维异质结,实现具有拓扑能隙达到4.5 meV的量子反常霍尔态,并且提出通过应力可以线性增大其拓扑能隙,其拓扑性可以通过面外电场或层间滑移进行调控。在第五章,我们通过第一性原理计算,提出通过对二维双层层间反铁磁CrI3体系施加面外电场破坏其C2x对称性使其产生轨道磁化,并准确定量计算了该体系轨道磁化与所加电场强度之间的关系。在第六章,我们对本论文的所有工作进行了总结与展望。
其他文献
红色精灵(Red sprite)作为由闪电诱发的中高层大气瞬态发光事件(Transient Luminous Events,TLEs)中最常见的现象之一,对研究对流层和中间层/低电离层间物质和能量交换具有重要意义,近年来受到科研学者的广泛关注。虽然国内外学者针对红色精灵进行了大量的观测实验,但主要以地基观测形式开展,因此对于海洋地区红色精灵的研究仍有许多科学问题尚未获得清晰的认识。本文利用课题组自
自从1954年George Devol发明第一台可编程机器人以来,机器人已经陪伴人类走过半个多世纪,并逐渐成为人类生产生活中不可或缺的助手。为了让机器人具有与人类相当的分析与操作能力,其中关键的一个步骤是使机器人能够精确地感知并重建其周围的三维物体与三维场景。尽管已经涌现了不少成熟稳定的三维扫描与实时重建算法,但是现有的三维重建算法往往以人类用户手持扫描设备为主要应用场景。如何用机器人代替人类自动
温湿廓线是研究青藏高原对流、潜热,揭示高原能量收支的重要基础数据。作为地球能量收支的重要参量,青藏高原的温度、湿度和对流层顶分布情况一直令人关注的科学问题。但是由于青藏高原环境恶劣,气象观测历史短,探空站点分布稀少,青藏高原的温湿廓线全面系统的研究一直进度缓慢。穿透性对流活动对对流层和平流层的热力结构和湿度分布有重要影响。目前,由于高时空分辨率温湿数据的缺乏,我们对青藏高原穿透性对流活动特点及其对
中国高速铁路的发展举世瞩目,极大地便利了人们的出行,列车速度的不断提高,也对转向架系统的直线稳定性和曲线通过性提出了更高的要求。列车转向架一方面需要较大的定位刚度来抑制高速行驶时的蛇形运动,另一方面在经过曲线轨道时又需要较软的定位刚度来适应曲率变化。传统的转向架系统难以满足这种矛盾的定位刚度需求,往往采用折中的定位刚度设计来兼顾直线稳定性和曲线通过性,一定程度上限制了列车运行速度和动力学性能的进一
量子纠缠是量子世界最显著的特征,最早以“鬼魅的超距作用”进入人们的视线,引起了关于“实在性”、“局域性”和“量子力学完备性”的激烈争论,而后随着Bell不等式的提出,量子力学的完备性才得以进一步验证。经过全世界物理工作者近百年的努力,量子纠缠的研究内容从理论到实验愈发丰富,使得量子纠缠成为量子计算、量子通信、量子精密测量、量子模拟等量子信息学应用的核心。然而,量子纠缠仍然存在着很多重要却未解决的问
台风特指生成于西北太平洋热带洋面、中心附近最大持续风速大于64kts的热带气旋(TC)。台风-海洋相互作用在近几十年来越来越受到关注。一方面,台风会对其路径附近的上层海洋生态环境产生重要影响,包括海洋温盐变化,海洋叶绿素浓度增长等等;其中,海表热通量、垂直混合夹卷、上升流导致的冷尾流现象最为显著。另一方面,海洋环境包括海表温度、海洋涡旋等要素是影响台风生成和发展的关键因素。过去几十年来,热带气旋强
近年来,为了解决城市化带来的日益严重的城市道路交通拥堵问题,地铁系统在我国各大城市得到了广泛建设。然而,地铁系统结构复杂、地下空间狭长且封闭、人员密度大,导致地铁火灾可能会发展成重大伤亡事故。目前,前人关于地铁火灾的研究大都是针对隧道火灾开展的。而在实际情况中,地铁列车可能因火灾事故导致动力系统故障而停靠在区间隧道内,乘客通过一侧开启的车门和纵向疏散平台向安全区疏散。此时,两端开口区间隧道同单侧多
俯冲带镁铁质-长英质岩浆岩通常记录了俯冲地壳物质的再循环和再造,是研究俯冲带壳幔相互作用和构造演化的重要载体。祁连造山带经历了早古生代柴达木地块-祁连地块-阿拉善地块的聚合,记录了从大洋俯冲到大陆碰撞的一系列过程,是研究俯冲带物质循环和壳幔相互作用的理想区域。祁连地块出露大量不同岩性的早古生代弧岩浆岩,为识别不同性质俯冲地壳物质再造和再循环以及恢复造山带构造演化历史提供了很好的研究对象。本学位论文
在森林火灾和建筑火灾的可燃物中,生物质占有很大的比重。因而,生物质燃烧在火灾领域受到了广泛的关注。要从本质上认识、预测和预防燃烧,就需要对其化学反应机理展开详细的研究。在火灾蔓延过程中,未燃区受到加热,生物质发生热解。之后,热解释放的可燃气体发生氧化,当OH自由基的浓度积累到一定程度时,发生点火现象。生物质的热解和点火在燃烧过程中持续存在。生物质主要由半纤维素、纤维素和木质素三大组分组成。综纤维素
火旋风是一种典型的森林和城市极端火行为。它是由浮力火羽流与周围旋转流场耦合作用诱发的旋转扩散火焰。与普通浮力火焰相比,火旋风具有更大的燃烧速率,火焰高度,火焰温度和流动速度。此外,火旋风会诱发远距离飞火,造成火灾的非连续性蔓延。因此,火旋风是大尺度火灾形成的重要机制,也是火蔓延加速的关键原因。深刻揭示火旋风的燃烧动力学机制与规律,能够为发展森林和城市火灾防控技术提供科学依据。热释放速率(火源强度)