Ⅳ-Ⅵ族半导体有多个方面的优异性能,PbTe、SnSe等是重要的热电材料,基于GeTe的Ge-Sb-Te相变合金是光存储的关键材料,铅盐PbS、PbSe、PbTe以及合金Pb1-xSnx(Se,Te)等,用于制备室温及近室温中波红外光电器件。Ⅳ-Ⅵ族半导体在可再生能源、光存储、环境气体检测、医学诊断以及军事等领域有广泛的应用。另外,Ⅳ-Ⅵ族半导体由于其独特的电子及动力学特性,产生了新奇的物理性质。本文围绕Ⅳ-Ⅵ族半导体的物理特性,取得了以下创新性研究成果:1.通过理论分析和第一性原理计算,研究了 Ⅳ族碲化物GeTe、SnTe、PbTe的电子结构,通过对称性、原子能级、原子尺寸等因素的分析得到了 IV族碲化物中SnTe能带反转而GeTe和PbTe不反转这一反常趋势的理论解释。发现了 Sn原子在上述三种阳离子中具有最高的s轨道能量,造成了 SnTe中最强的s-p耦合,使SnTe具有L点反转带隙成为拓扑晶体绝缘体。阐明了α-GeTe和α-SnTe的内部原子位移导致了 CBM和VBM态之间的强烈混合,减弱了 s-p耦合,因而增大了带隙。计算显示α-SnTe由于减弱了的s-p耦合和p轨道混合,是一种正常半导体,这一拓扑相变需要进一步的实验验证。这一研究表明,能级间的耦合是一条有效的拓扑绝缘体材料设计的新途径。2.系统地进行了 PbTe (111)分子束外延薄膜的角分辨光电子能谱测量。通过改变入射光子能量和偏振,结合第一性原理计算,清晰地揭示了 PbTe三维能带结构、轨道特征、自旋轨道分裂能和表面态。发现了 PbTe光电子发射谱表现出块材特征。观察到了 L与∑价带,其能量差确定为0.2eV。观察到了 L与r点较大的自旋轨道分裂能,分别为0.62 eV和0.88 eV。清晰地指认了价带内和价带边附近的表面态。通过轨道对称性分析和第一性原理计算,将ARPES谱强度随光子偏振的变化解释为PbTe (111)表面附近发生的分层结构扭曲。这些发现为理解PbTe的基本性质以及热电、光电子应用研究提供了新的数据。3.通过第一性原理计算,研究了 PbTe的晶格动力学性质。通过施加(111)面内的双轴外延应变,发现近铁电材料PbTe在(111)应变作用下仍然保持了顺电性。同时发现PbTe在(111)面内双轴外延压应变下发生晶格势非谐性的增强,晶格势非谐性的增强提高了声子间相互作用,有利于降低晶格热导率。我们的研究表明,应变是一个潜在的优化PbTe热电性能的途径。