层状过渡金属硫族化合物拓扑电子性质的理论研究

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在凝聚态和材料物理的研究中,二维层状材料因其丰富奇特的性质和广泛的潜在应用价值引发了人们雨后春笋般的关注;以石墨烯、黑磷、硅烯、Bi2Se3、过渡金属硫族化合物(TMDs)、单层Fe Se等为代表的低维材料,展现出谷自旋电子学、整数和分数量子霍尔效应、拓扑绝缘体、拓扑半金属、非常规超导等一系列新奇的量子现象。这些新奇的量子现象将来有可能在微纳米能源电子器件、光电子器件、量子计算等领域有着巨大的运用价值。其中,TMDs除了在电子、光学、机械、化学和催化等领域展现出的独特的物理、化学性质,而且在非常规能带结构的拓扑材料领域也蕴含着潜在的研究价值。半金属材料作为极具应用前景的自旋电子学材料,发展至今,越来越多的拓扑材料涌现到人们眼前,但理想的拓扑Weyl半金属却仍然缺乏,因此继续搜寻新的拓扑Weyl半金属材料和有效地调控已有的Weyl半金属材料成为人们获取理想半金属的两种主要手段。本文结合第一性原理计算和Wannier基的紧束缚方法首先提出了两类过渡金属单硫族化合物中拓扑半金属的候选材料:MTe(M=W,Mo)和W2XY(X,Y=S,Se,Te,X≠Y),其次对Td相Mo Te2的拓扑电子性质进行了有效调控,最后对扭转2H相Mo Te2体系的电子性质进行了探究。我们首先证明了非中心反演对称的过渡金属单硫族化合物Mo Te和WTe均是同时具有Weyl费米子和Dirac费米子的Dirac-Weyl半金属;紧接着我们确认了W2XY是第I类和第II类Weyl节点共存的新奇拓扑Weyl半金属。此外,我们通过合金化和应变等方式对Td相Mo Te2拓扑电子性质进行调控,以期实现可能的拓扑相变和获得更加理想的拓扑材料。主要结果表明我们构建的替代性无序合金Mo Te2-xSx(x=0.25)在不同位置的替换会导致Weyl点的数量不同,并且在合金化体系中获得具有最少Weyl点的非磁性拓扑Weyl半金属;再通过切向应变调控合金化体系的Weyl点能量,使其更加接近费米能级。最后对2H相Mo Te2进行扭转调控,主要结果表明扭转使得能带出现间接带隙向直接带隙的转变,并且带隙大小随着扭转角度的增加先增大后减小。我们的研究结果拓展了对拓扑半金属材料的认识,提供了获得更加“理想”拓扑材料的调控手段;为将来过渡金属硫族化合物在拓扑电子器件、能源和量子计算等方面的实际应用提供理论参考和理论依据。
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