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赝势平面波的方法，对Sb2Te3

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0.11eV；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。

【关键词】：Sb2Te3；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Sb2Te3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【7】 ；

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关系，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 R3 -MH 的空间群，晶格常数为a=b=c=1.045 nm ; 晶面角 α=β=90°, γ=120°; 每个晶胞中包含6 个锑（sb）原子，9个碲（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赝势方法, 将离子势用赝势替代, 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关势进行校正, 它是现在较为准确的电子结构计算的理论方法.

【1-4】

首先采用BFGS算法(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 = 205 eV, 迭代过程中的收敛精度为1×10?6 eV. 选取局域密度近似(LDA)来处理交换关联能部分, 离子势采用超软(ultrasoft)赝势【5】, 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4×4×4, 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 近似处理交换关联泛函, 超软赝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Sb2Te3 的能带结构

Energy/ev 1050 -5-10FGZ

其中虚线表示费米能级，从图中可以看出，Sb2Te3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0.11eV，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Sb2Te3总态密度图和部分态密度图，其中虚线为费米能级。

Density of States（eletrons/ev） 4.84.03.22.41.60.80.0-6-4-20Energy/ev2468101214总态密度图：