拓扑绝缘体Bi2Se3磁性调控的第一性原理研究.pdf

摘要

摘要

拓扑绝缘体的发现是凝聚态物理的一大突破，在拓扑绝缘体中引入磁性破

缺时间反演对称性，有可能实现量子反常霍尔效应这种奇特的物理现象。本文

以第二代三维强拓扑绝缘体BiSe为主要研究对象，其具有化学计算量比可控，

23

易合成纯度高的化学项、体能隙较大(0.3eV)等优点，这使得它成为未来自旋电

子学器件的理论候选材料。在BiSe中引入磁性，打破系统的时间反演对称性

23

可以实现新奇的量子效应，即量子反常霍尔效应(QAHE)，该效应在无需外加强

磁场下可以实现无耗散的电输运，有望推动新型低功耗自旋器件的发展。

本文基于第一性原理研究了钙钛矿锰氧化物LaSrMnO(LSMO)和二维

0.70.33

磁性半导体CrWI通过磁近邻效应磁化BiSe的相关性质，计算了界面处的几

623

何结构、电荷密度、自旋分布、磁耦合机制以及相关的拓扑性质，本文的主要

内容与结论如下：

1.构建了LSMO在001面上两种终止面与BiSe形成的界面结构

23

(LaSrO/BiSe与MnO/BiSe)。界面形成能与分子动力学表明LaSrO/BiSe在能

2322323

量上较MnO/BiSe更为稳定。自旋密度分布和电子结构分析表明Mn的3d轨

223

道与Se的4p轨道之间的电子交换作用和轨道杂化是界面出现磁近邻效应的关

键因素。在终止面模型的表面引入Mn空位后，离空位最近的Se原子自旋极化

率由20.05%下降至-3.45%，该Se原子从铁磁态转变为顺磁态，进一步证明了

Mn和Se之间的电子相互作用和能级杂化是异质结界面结构中Se原子产生磁矩

的关键因素。该研究为进一步基于LSMO/BiSe异质结的自旋器件奠定了理论

23

基础。

2.通过高通量计算，在过渡金属元素中筛选出了使CrI3的铁磁耦合最大提

升的元素W构建了高居里温度二维本征磁性半导体CrWI，计算得到该结构磁

6

各向异性能达3.71meV，居里温度为182.7K。构建了三明治型异质结构

CrWI/BiSe/CrWI，通过电荷分析，发现异质结界面处电荷由I原子转移至Se

6236

原子，并使得Se获得了一个净磁矩。能带分析表明BiSe拓扑表面态的狄拉克

23

锥在费米能级附近较好地被保留同时自旋简并被破坏，证明拓扑表面态被有效

磁化。当异质结中BiSe的五元层(QL)超过五时，系统的贝里曲率与霍尔电导

23

计算结果表明异质结进入陈绝缘体态(陈数CN=1)，打开的能隙约为2.9

I