【摘 要】
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近年来,二维拓扑材料因其优异的电子特性和理化性质受到研究者们的广泛关注。拓扑电子态和拓扑材料学已成为了凝聚态物理领域最热门的研究方向之一,具有极其重要的科学意义,为下一代自旋电子器件和低维磁存储介质提供了无限可能。其中,拓扑绝缘体是一种内部绝缘、表面导电的材料,其表面存在着一种受拓扑保护的特殊量子态。它不仅拓宽了研究者们对宏观量子物态的认识,同时在未来低功耗自旋电子器件、新型热电、磁电器件等领域的
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近年来,二维拓扑材料因其优异的电子特性和理化性质受到研究者们的广泛关注。拓扑电子态和拓扑材料学已成为了凝聚态物理领域最热门的研究方向之一,具有极其重要的科学意义,为下一代自旋电子器件和低维磁存储介质提供了无限可能。其中,拓扑绝缘体是一种内部绝缘、表面导电的材料,其表面存在着一种受拓扑保护的特殊量子态。它不仅拓宽了研究者们对宏观量子物态的认识,同时在未来低功耗自旋电子器件、新型热电、磁电器件等领域的设计开发都有潜在的应用前景。Mn Bi2Te4（MBT）是近期发现的一种具有层状结构的二维磁性拓扑绝缘体,易于被外场调控发生拓扑相变,为磁性拓扑材料自旋电子行为的相关研究提供了一个良好的平台。然而,单层MBT被认为拓扑性质平庸,其较大的间接带隙以及缺乏界面间相互作用使其难以产生如块体材料那般奇特的拓扑性质。此外,其较小的磁各向异性以及较低的居里温度TC均不利于长程磁有序铁磁体的建立。根据以上,本文基于密度泛函理论（DFT）,通过第一性原理计算,结合蒙特卡洛和微磁模拟等方法,构建了MBT材料的两种衍生材料体系:MBT/CrI3异质结和单层Janus型Mn Sb Bi Se2Te2（MSBST）结构,深入探讨了两种体系的能带结构、磁各向异性能（MAE）、居里温度（TC）、拓扑性质以及自旋图样等。并进一步研究了双轴应变对其电子结构和磁学相关特性的调控,为相关实验研究提供了理论基础。本文具体研究内容和结果如下:1.二维MBT/CrI3异质结的拓扑性质和居里温度本章以二维磁性半导体CrI3为基底构建了MBT/CrI3异质结,并重点探讨了双轴应变对其电子结构、TC等电磁特性的调控研究。结果表明,与双层MBT和CrI3层间反铁磁不同,MBT/CrI3异质结层间耦合为铁磁序。且由于层间耦合作用,异质结构的铁磁性大大增强。另外,在压缩应变（-5%）作用下,异质结界面出现能带翻转,发生拓扑相变;同时,该体系的MAE与TC均对压缩应变有较强的敏感性,其MAE有近10倍的提升,且TC也升高至91.1K（单层MBT仅12.5K）。2.二维Janus型MSBST的拓扑性质及自旋行为本章基于MBT本征结构,对其上下原子层进行元素替换,设计了一种新型二维Janus MSBST铁磁体,探究了双轴应变对其拓扑表面和自旋Skyrmions等电子行为的调控影响。结果表明,单层MSBST可通过自旋极化方向的改变使其出现一个从间接带隙到直接带隙的转变,并意外地在费米能级处诱导出拓扑相变。在较小的压缩应变下即可调控其成为2=1的拓扑绝缘体。此外,由于Janus结构上的空间反演对称性破缺,导致MSBST铁磁体具有较大的Dzyaloshinskii-Moriya相互作用,更有利于产生稳定的Skyrmions,并可通过外磁场的调控得到稳定的Skyrmions晶格,有望作为信息载体应用于新一代超高密度磁存储器件。
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