Электронная структура трехмерных топологических изоляторов

• Автор: Меньщикова, Татьяна Викторовна
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Томск
• Количество страниц: 118 с. : ил.

Содержание
Введение

Глава 1. Введение в физику топологических изоляторов и методы расчета

1.1. Основы физики топологических изоляторов

1.1.1. Введение

1.1.2. Поверхностные состояния

1.1.3. Квантовое состояния Холла—первый шаг к ТИ

1.1.4. Сходства и различия графена с ТИ

1.2. Методы расчета электронной структуры

1.2.1. Метод функционала электронной плотности

1.2.2. Спин-орбитальное взаимодействие

1.2.3. Псевдопотенциальный подход для вычисления электронной структуры кристаллов
1.3. Заключение к первой главе
Глава 2. Электронная структура бинарных халькогенидов В1 и ЭЬ, а также тройных соединений на их основе
2.1. Введение
2.2. Электронная структура бинарных халькогенидов В125е3,
В12Те3, ЭЬаТез
2.3. Эффект третьего компонента в системах В12Те25, В12Те25е,
В125е2Те, БЬгТегЭ, 5Ь2Те28е
2.4. Заключение ко второй главе
Глава 3. Особенности электронной структуры слоистых тетрадими-

топодобных соединений типа пА/уВ7-тАВ7 (А1У- Ое, Бп, РЬ;
Ау - В|, БЬ; ВУ1~ Те, Бе), п=1; т
3.1. Введение
3.2. Электронная структура соединений типа АВ-АВ7
3.3. Специфика электронных поверхностных состояний в соединениях типа А1УВУ1-(2 — ЗВд"7
3.4. Заключение к третьей главе
Глава 4. Электронная структура тройных халькогенидов на основе таллия Т1-А7-В7 (А-ЭЬ, В1; В-Эе, Те)
4.1. Введение
4.2. Объемная электронная структура в Т1В1Те2) Т1В15е2, Т15ЬТе2,
ШЬЭег
4.3. Поверхностная электронная структура соединений Т1АВ2
4.4. Заключение к четвертой главе
Заключение
Литература

Введение
Одним из интенсивно развивающихся направлений физики твердого тела является поиск и исследование новых материалов, демонстрирующих уникальные электронные свойства. Использование таких материалов в высокотехнологичных отраслях промышленности, электроники, спинтроники позволит создать приборы нового поколения, обладающих более высокими характеристиками по сравнению с уже существующими.
К таким перспективным' материалам относится класс узкозонных полупроводников с инвертированной запрещенной.щелью, так называемые трехмерные топологические изоляторы (ТИ): Первые работы по предсказанию слоистых систем с инвертированной щелью были еще сделаны, в 70-80-х годах [1]. Лишь в-самое последнее время экспериментально было подтверждено наличие-на поверхности особых металлических состояний в соединениях, содержащих тяжелые элементы (Вг, БЬ) [2; 3]. Отличительная особенность данных материалов заключается в том, что они будучи изоляторами (или полупроводниками) в объеме обладают металлическими состояниями на поверхности (или границе с обычным изолятором). Эти поверхностные состояния поляризованы по спину и возникают в результате сильного спин-орбитального взаимодействия. При этом наличие в таких материалах симметрии обращения времени.обуславливает отсутствие обратного рассеяния электронов на дефектах. Электроны в этих состояниях характеризуются линейной зависимостью энергии от волнового вектора и ведут себя как безмассовые частицы [4]. Такие поверхностные состояния образуют конусы Дирака, вершины которых касаются в некоторой точке (точке Дирака). За счет таких необычных свойств поверхностных состояний в ТИ возможно протекание спин-поляризованного тока практически без потерь энергии. Такой спиновый транспорт возможно использовать в новых спинтронных и магнетоэлектрических приборах. Наряду с
— [ епк&(епк -/и,)(13к, (1-43)
вг J

? В2:
Пв г
где 0(х) — ступенчатая функция Дирака и /х— энергия Ферми. Этот интеграл может быть оценен с использованием дискретного набора к-точек

Для полупроводников и изоляторов, имеющих полностью заполненные зоны, нет разрывов и интеграл может быть вычислен с использованием сетки специальных к-точек Монхорста-Пака [46—48]. При этом,для металлов занятость дискретно изменяется от 1 до 0 на уровне Ферми и сумма сходится медленно. Улучшение сходимости по к-точкам можно достичь путем замены ступенчатой функции на сглаживающую функцию для каждой зоны
и к-точки. Функциональная форма /({е}) может быть описана с помощью' линейного метода тетраэдронов. В этом методе интеграл для зонной энергии внутри каждого тетраэдрона берется, аналитически, а. одноэлектронные энергии еп>к линейно интерполируются между к-точками. Альтернативным методом явлется метод [49], учитывающий эффективные веса /({е„}) для каждой зоны и к-точки, а также исключающий квадратичные ошибки (по средством коррекционной формулы), путём включения эффективной кривизны зон на поверхности Ферми. Данный метод имеет очень быструю сходимость по к-точкам и хорошо подходит для вычисления полной энергии объёмных материалов, содержащих небольшое число атомов. Вместе с этим, он плохо применим для вычисления сил на атомах и больших сверхячеек. В [49] было показано, что нет необходимости пересчитывать занятость ддяшолучения изменений сил или энергий в первом порядке т.к. полная энергия вариационна по частичной занятости. Однако, при использовании дополнительной коррекционной формулы [49] должны быть включены дополнительные члены, возникающие из производных от частичных занятостей по положениям ионов, для точной оцен-