论文部分内容阅读
在考虑电子电荷的基础上，同时利用电子的自旋属性发展起来的自旋电子学，近年来引起了物理和材料科学领域众多科学家的广泛关注。与传统半导体器件相比，自旋电子器件具有耗能低、速度快、体积小和非易失性等优点，具有不可估量的潜在应用价值。重要地，具有奇异特性的半金属磁体和拓扑绝缘体的出现，使自旋电子器件在信息技术产业中的实际应用成为可能。因此，进一步探索半金属和拓扑绝缘材料的物理特性并运用到自旋电子器件中去，是当前凝聚态物理和材料物理研究的一个热点。本文利用基于密度泛涵理论的材料模拟软件WIEN2K和CASTEP，研究了半金属全霍伊斯勒合金Co2VZ（Z=Ga，Al）表面和界面的结构电磁特性以及三维HgTe在晶格扭曲作用下产生的拓扑绝缘相。具体地，本文的研究内容和结果主要有以下几个方面：（1）研究了全霍伊斯勒合金Co2VGa（111）方向所有可能的四个表面的结构和电磁特性。结构优化和计算的表面能都显示，以Ga原子为端面的表面是四个表面结构中最稳定的一个。我们发现以Ga和V原子为端面的两个表面保持了Co2VGa块材结构中的半金属特性，而以Co原子为端面的表面失去了半金属性。（2）研究了全霍伊斯勒合金Co2VGa（001）表面掺杂诱发的半金属特性。我们发现以Co和VGa原子为端面的两个表面失去了块材中的半金属性，但在以VGa原子为端面的（001）表面中，通过用V原子代替表面层的Ga原子构造的纯V原子为端面的（001）表面，由于表面层原子的重新杂化半金属性又恢复了。（3）构造了全霍伊斯勒合金Co2VGa和半导体PbS在（111）方向上的异质结并探究了界面效应对其电子结构的影响。结构优化和界面结合能的计算都显示V-S界面是最有应用价值的一个结构。我们预言V-S和V-Pb两种界面结构分别表现出半金属和近半金属特性，而另外两个界面Ga-S和Ga-Pb都出现了一些界面态。（4）研究了全霍伊斯勒合金Co2VAl块材和（111）表面的结构及电磁性质，证实了L21型的全霍伊斯勒合金Co2VAl具有半金属铁磁基态。我们预言以V和Al原子为端面的两个表面结构保持了块材系统的半金属特性，而以Co原子为端面的两个表面失去了半金属特性。结构优化显示：由于较小的原子弛豫，具有半金属特性的两个表面具有较高的稳定性。（5）探究了三维HgTe在晶格扭曲作用下产生的拓扑绝缘相。结果表明：无论原胞体积变化与否，由于晶格扭曲HgTe都会产生一个拓扑绝缘相，这和最近的理论研究和实验结果十分一致。重要的是，在适当的晶格扭曲作用下，产生的拓扑绝缘带隙超过了0.3eV。