拓扑材料及其光学效应的第一性原理计算研究

发布时间：2025-06-06 05:00

　　在本文中我们首先介绍了拓扑材料研究的发展历史,并总结了典型拓扑材料的拓扑性质和拓扑不变量的计算方法。然后我们介绍了第一性原理计算方法的发展历史和瓦尼尔函数方法。接着我们重点研究了三类拓扑材料的拓扑性质,具体包括:我们发现Ba3Cd2As4家族是一类拓扑晶体绝缘体,它们有C2旋转反常导致的拓扑表面态和棱态;我们发现一类新的狄拉克半金属BaHgSn,它有沙漏形表面态;结合实验观测,我们研究了铁磁外尔半金属Co3Sn2S2的能带结构和光电导随温度的变化。这些研究揭示了拓扑材料的拓扑性质和光学效应,并为新型拓扑材料的预言和研究提供了思路。在绪论中我们介绍了量子霍尔效应(包括整数量子霍尔效应、量子反常霍尔效应和量子自旋霍尔效应)、拓扑绝缘体、拓扑晶体绝缘体以及拓扑半金属的基础理论,并总结了这些材料中拓扑不变量的定义和具体计算方法。然后我们介绍了利用第一性原理计算和对称性指标理论确定材料拓扑分类和拓扑不变量的方法,以及自动化拓扑材料搜索的流程。在计算方法部分,我们介绍了第一性原理方法的发展历史,详细介绍了密度泛函理论。我们还详细介绍了广泛使用的瓦尼尔函数方法。在拓扑材料计算中我们通常使用的是原子轨道...

【文章页数】：121 页

【学位级别】：博士

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摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 量子霍尔态
        1.1.1 整数量子霍尔效应
        1.1.2 量子自旋霍尔效应
        1.1.3 量子反常霍尔效应
        1.1.4 量子霍尔态拓扑不变量
    1.2 拓扑绝缘体
        1.2.1 拓扑表面态
        1.2.2 Z₂拓扑不变量
    1.3 拓扑晶体绝缘体
        1.3.1 边界态和拓扑不变量
    1.4 拓扑半金属
        1.4.1 狄拉克半金属
        1.4.2 外尔半金属
        1.4.3 节线半金属
    1.5 通过第一性原理计算判断材料的拓扑分类
        1.5.1 对称性指标理论
        1.5.2 拓扑材料自动化搜索
第2章 第一性原理计算理论和方法
    2.1 第一性原理计算主要发展历史
        2.1.1 多粒子哈密顿量
        2.1.2 绝热近似
        2.1.3 哈特利-福克近似
        2.1.4 密度泛函理论
    2.2 瓦尼尔函数方法
        2.2.1 最局域瓦尼尔函数
        2.2.2 原子轨道瓦尼尔函数
        2.2.3 WannierTools软件
第3章 C₂旋转保护的拓扑晶体绝缘体
    3.1 C₂旋转反常与拓扑晶体绝缘体
    3.2 晶体结构
    3.3 计算方法
        3.3.1 第一性原理计算方法
        3.3.2 对称性指标计算方法
        3.3.3 嵌套Wilson loop方法
    3.4 结果分析和讨论
        3.4.1 体态分析
        3.4.2 (001)和(010)表面的表面态分析
        3.4.3 (110)表面的表面态分析
        3.4.4 棱态分析
        3.4.5 不同应力下的拓扑相变
第4章 有沙漏费米子的狄拉克半金属
    4.1 沙漏费米子
    4.2 晶体结构
    4.3 计算方法
    4.4 结果分析和讨论
        4.4.1 体态分析
        4.4.2 表面态分析
        4.4.3 (010)表面的费米面和QPI图样
        4.4.4 (010)表面Wilson loop谱
第5章 铁磁外尔半金属Co₃Sn₂S₂的光电导研究
    5.1 计算方法
    5.2 结果分析和讨论
        5.2.1 能带结果分析
        5.2.2 光电导实验结果
        5.2.3 光电导计算结果
        5.2.4 电子动能的重整化
第6章 结论和展望
参考文献
致谢
作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果



本文编号：4049828