Sb2Te3拓扑绝缘体材料的第一性原理计算

毕业论文题目：Sb2Te3拓扑绝缘体材料的第一性原理计算院（系）： 数理学院 年 级： 2010级 专 业： 物理学 班级： 物理学2010本科（1）班 学号： 100514027 姓名： 指导教师： 完成日期： 2014年5月 Sb2Te3拓扑绝缘体材料的第一性原理计算【摘要】：使用基于第一性原理的密度泛函数理论贋势平面波的方法，对Sb2Tea的能带结构，态密度进行了理论计算，由能带的计算表明 Sb2Te3是一种直接带隙半导体，它的禁带宽度是O.lleV；并且它的能态密度主要是取决于Sb的层电子和Te的 层电子的能态密度，经过认真比较，计算结果和现有实验数据比较吻合。【尖键词】：Sb2Tea；第一性原理；电子结构引言；近几年凝聚态物理学中出现的一个最新的研究领域-拓扑绝缘体，他是一种新型的量子物质态。在拓扑绝缘体中，电子能带的拓扑性质可以产生很多新鲜奇特的物性，使他很有希望低能耗的自旋电子器件和容错量子计算中得到应用，而对与信息技术，这两个领域的进展将有可能对其产生革命性的影响。 因此拓扑绝缘体一经发现，便迅速引起了人们研究兴趣。中科院在近几年中对拓扑绝缘体的研究取得了很大进展。 其首先实现了高质量Sb2Te3薄膜的分子束外延生长(MBE)。实现了对Sb2Te3薄膜中缺陷的浓度以及类型的有效控制。并且实现了对 Sb2Tea薄膜的费米面在整个体能隙范围内的有效调节，特别是其费米面能够穿过狄拉克点达到表面态电荷中性点 E；首次证实了Sb2Te3表面态的准粒子寿命几乎不受本征替代缺陷的影响，只会受到电子相互作用影响。同时，证实了 Sb2Te3表面态具有几乎完美的线性色散尖系，并且确定了其作为三维拓扑绝缘体的厚度极限是 4层【8】；1・理论模型与计算方法1.1理论模型本文采用的计算模型是具有菱形六面体结构的sb2Te3他属于Ra-MH的空间群，晶格常数为a=b=c=1.045nm 面角a=B=90°,丫=1每0°晶胞中包含6个(sb)原子，9个确(te)原子，晶胞结构如图所示:1.2计算方法本文使用的是基于第一性原理密度泛函理论方法，使用CASTEP软件，使用总能量的平面波贋势方法，将离子势用贋势替代，并让电子波函数用平面波基组展开,用局域密度近似（LDA）或广义梯度近似（GGA）将电子与电子相互作用的交换和相尖势进行校正，它是现在较为准确的电子结构计算的理论方法•首先采用BFGS算法⑷（由Broyden,Fletcher,Goldfarb和Shanno提出的一种能对固定外应力的晶胞进行优化的算法）对晶体模型进行结构优化，将原胞中的价电子波函数用平面波基矢进行展开，并设置平面波截断能量Ecut=205eV,迭代过程中的收敛精度为1X10-6eV.选取局域密度近似（LDA）来处理交换尖联能部分，离子势采用超软（ultrasoft）贋势广】，布里渊区积分采用Monkhors-Pack（6）形式的高对称特殊k点方法,k网格点设置为4X4X4,能量计算都在倒易空间中进行.2•计算结果与讨论2.1能带结构通过GGA近似处理交换尖联泛函，超软贋势处理离子实与价电子之间的相互作用，平面波基组描述体系电子的波函数，经过计算得到了Sb2Te3沿布里渊区高对称点方向的能带结构。如下图为Sb2Tea的能带结构

F其中虚线表示费米能级，从图中可以看出，Sb2Tea的能带结构比较缓和，并且导带的最低点和价带的最高点在同一个 K点处，因此为直接带隙，导带和价带之间的能系较小但是并不为零，约为O」leV,因此Sb2Te3是可以导电的，但是其费米能级穿过价带的顶部，体现了典型的绝缘体特征，因此， Sb2Te3材料的拓扑绝缘体是带隙为0.11的直接带隙的半导体。2.2电子态密度由图所示为计算得到的Sb2Tea总态密度图和部分态密度图，其中虚线为费米能级。DensityofStates(eletrons/ev)总态密度图:

Sb原子态密度图:DensityofStates(eletron^ev)5.04.5s■■■■c4.0.r3.5-t3.0••2.5-<t ■•1■•♦••・・2.0-1.5-■d ・••i q; •・八.•\1.0. ♦* ・•1:■ t••■0.5-■•/777\VZ\■—一'•\0.0-・ 1 r I •-6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14Energy/evTe原子态密度图：由总态密度图，在费米能级处，态密度很小，因此能够填入电子的能级很少。在电子的能量较小的范围内(・6~・4eV),Sb2Tes的态密度主要由Sb的5p态和Te的5p态电子构成，Sb的5s态电子和Te的5s态电子也有较小的贡献；在-4--2eV的能量范围内,Sb2Tea的态密度主要由Sb的5p态电子和Te的5p态电子构成，Sb的5s态电子和Te的5s态电子也有较小的贡献；在-2-0eV的能量范围内，SbsTea的态密度主要由Sb的5s态和Te的5p态电子构成，Sb的5p态电子和Te的5s态电子也有较小的贡献；在0-4eV的能量范围内，Sb2Tea的态密度主要由Sb的5p态电子和Te的5p态电子构成，Sb的5s态电子和Te的5s态电子也有较小的贡献；在4~8eV的能量范围内,Sb2Tea的态密度主要由Sb的5s态电子和Te的5s态电子构成,Sb的5p态电子和Te的5p态电子也有较小的贡献，因此,SbTes价带主要是由Sb的5p和5s及Te的5p态电子构成，导带主要由Sb的5p和5s及Te的5p和5s态电子构成.参考文献 BroydenCG•Theconvergenceofaclassofdoublerankminimizationalgorithms,2Thenewalgorithm.JInstMathAppl,1970,6:222—231[DOI]FletcherR・Anewapproachtovariablemetricalgorithms.ComputJ,1970,13(3):317—322[DOI]GoldfarbD.Afamilyofvariable-metricmethodsderivedbyvariationalmeans.MathComput,1970,24(109):23—26[DOI]ShannoDF.Conditioningofquasi-Newtonmethodsforfunctionminimization.MathComput,1970,24:647—656[DOI]VanderbiltD・Softself-consistentpseudopotentialsinageneralizedeigenvalueformalism.PhysRevB,1990,41:7892—7895[DOI]MonkhorstHJ,PackJD.SpecialpointsforBrillouin