应变对磁掺杂拓扑绝缘体Bi2Se3体系磁性和电子结构的影响研究

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拓扑绝缘体的发现备受科学界的重视,其顽固且不易受一般杂质影响的表面态使其迅速成为近年来凝聚态物理和材料科学研究领域的一个热点。尤其是Bi2Se3、Bi2Te3和Sb2Te3三个三维强拓扑绝缘体,由于具有大的带隙和简单的表面电子结构这些优良的特性,使其在众多拓扑绝缘体材料中脱颖而出。另一方面,在拓扑绝缘体中引入铁磁性,破坏时间反演对称性,诱导自旋轨道耦合带隙,可以实现量子反常霍尔效应(QAHE)。目前量子反常霍尔效应已经在理论预言的基础上于2013年被实验证实。但是由于小带隙导致的耗散通道影响量子反常霍尔效应的观测,另一方面,较低的居里温度也会影响量子反常霍尔效应的观测温度。因此,为实现高温量子反常霍尔效应,找到具有更强铁磁性和更大带隙的拓扑绝缘体薄膜成为该领域发展急需解决的问题。本文采用的计算方法是基于密度泛函理论的第一性原理,我们系统的研究了3d过渡金属元素Mn和Cr掺杂拓扑绝缘体Bi2Se3体系在应变作用下的电子结构和磁性,期望能够为实现高温量子反常霍尔效应提供一种新的且方便实现的调控方法,具体包括两方面的研究。1.我们系统的研究了Mn掺杂的6QLs Bi2Se3薄膜在面内和面外应变作用下的磁性和电子结构,结果发现Mn掺杂Bi2Se3体系在面外拉伸应变作用下不仅增强了铁磁性还增大了带隙(达到65.6meV在6%应变下)。另外,我们还讨论了内在的机制。2.我们系统的研究了Cr掺杂在Bi2Se3块体材料四种不同的位置时,面内和面外的应变效应对体系磁性的影响,结果发现Cr原子在Bi2Se3体系中同QL的面内掺杂时,施加面内应变不论是压缩应变还是拉伸应变都能增强体系的铁磁稳定性。
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