二维Mn2P3拓扑性质的理论研究

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拓扑绝缘体具有不易受杂质散射、低能量耗散的边界态,能够推动未来无耗散微型纳米器件和量子计算机的发展。如果将磁性引入到拓扑绝缘体中,就有可能在拓扑绝缘体中实现量子反常霍尔效应(QAHE)。量子反常霍尔效应的特点是能够在无外加磁场的条件下仅通过内在磁场就能实现电子有序运动。量子反常霍尔效应的实验发现进一步掀起了磁性拓扑绝缘体研究的热潮。通常,人们通过搭建异质结和磁掺杂两种方式在拓扑绝缘态中引入铁磁序,但这两种方法存在耦合难度大、难以实现均匀掺杂、很难保持长程稳定磁序等问题。本征磁性拓扑绝缘体很好地解决了这些问题,它仅在内禀磁性和自旋轨道耦合共同作用下,就有可能实现量子反常霍尔效应。相较于三维拓扑绝缘体,二维拓扑绝缘体尺度薄、边界态纯净,更适于纳米器件的应用,且边缘导电比表面导电更易控制。因此,寻找合适的二维本征磁性拓扑绝缘材料,不仅对进一步研究拓扑机制,而且对未来无阻量子输运,信息高效存储、传递、处理都有着重大的意义。本论文研究了具有蜂窝状Kagome结构的二维Mn2P3材料,通过基于密度泛函理论的的第一性原理计算,系统地分析了它的结构、稳定性、磁性、抗应变性能和能带结构,并基于紧束缚近似模型,进一步计算了它的拓扑性质。主要工作如下:(1)计算研究了二维Mn2P3的结构及其稳定性。声子谱计算表明,具有蜂窝状Kagome结构的单层Mn2P3是动力学稳定的。弹性常数计算表明,二维Mn2P3具有力学稳定性。最后,不同屈曲高度的单层优化计算表明,二维Mn2P3的平面结构比褶皱结构更加稳定。(2)计算了二维Mn2P3的磁性、电子性质以及分析了狄拉克锥的来源。计算结果显示体系具有本征铁磁性,其易磁化轴垂直于表面,并且拥有0.42 me V的大磁各向异性能。单层Mn2P3具有100%自旋极化能带结构,其能带在费米能级处线性交叉形成狄拉克点,且狄拉克点在-1%至10%的双轴应变条件下仍不被破坏。通过对狄拉克锥的轨道成分分析,可以得出费米能级处的线性色散能带主要由P原子的pz轨道贡献,表明二维Kagome Mn2P3是一种p态狄拉克自旋无带隙半导体(DSGS)。Mn原子的pz轨道与P原子的pz轨道在费米能级处形成弱π键为电子高速运动提供通道。(3)分析了二维Mn2P3的拓扑性质。考虑自旋-轨道耦合后的赝势平面波泛函计算显示,狄拉克点处存在9 me V的拓扑非平庸带隙,说明二维Mn2P3体系可以在104 K的温度条件下实现量子反常霍尔效应。进一步计算Mn2P3体系的拓扑性质,可以得到一条无能耗的手性边缘态。将贝利曲率在第一布里渊区积分,得到-1的非平庸陈数计算结果。同时本文计算了体系的反常霍尔电导,结果呈现了-1e~2/h的量子化电导平台,这与边缘态和陈数计算结果是自洽的。这些优异的电子性质指示,二维Mn2P3体系是量子反常霍尔效应器件应用的潜在候选材料。
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