半Heusler型Na1-xCsxAlGe(0≤x≤1)合金能带反转结构的研究.pdfVIP

物 理 学报 ActaPhys．Sin．Vo1．63，No．5(2014) 053103 半Heusler型Nal—CsA1Ge(0≤ ≤1)合金 能带反转结构的研究冰 王啸天 )2) 代学芳2) 贾红英2) 王立英2) 张小明3) 崔玉亭 ) 王文洪3) 吴光恒3) 刘国栋1)2)t 1)(重庆师范大学物理与电子工程学院，重庆 400044) 2)(河北工业大学材料科学与工程学院，天津 300130) 3)(中国科学院物理研究所，磁学国家重点实验室，北京 100190) (2013年 10月3O日收到；2013年 11月27日收到修改稿) 采用第一性原理的计算方法，研究了全部由轻元素构成的半Heusler型NaA1Ge合金中，掺杂元素对合金 拓扑能带结构的影响．发现利用同族的Cs元素掺杂替换Na元素，能够诱导Nal一CsA1Ge合金的能带结构 由原本正常带序 (0≤X0．125)转换为反转带序 (0．125≤X≤1)．基于对这一现象的深入讨论，我们提出 在几乎没有 自旋一轨道耦合作用的材料中，掺杂元素 (cs)是通过其离子半径的不同，进而影响晶格参数变化 导致另外两种近邻原子间杂化作用发生变化，来诱导拓扑反带结构形成的． 关键词：第一性原理计算，拓扑绝缘体，半Heusler合金，电子结构 PACS：31．15．Ar，70．20．Be DOI：10．7498／aps．63．053103 b2Te3材料 [1】．许多具有18个价电子的半Heusler 1 引 言 合金 [8--11]；黄铜矿家族化合物I—III—VI2(I=Cu， Ag，Au；III=In，T1；VI=S，Se，Te)，II—IV—V2 拓扑绝缘体是 由2006年提出的一种量子态新 (II=Zn，Cd，Hg；IV=Ge，Sn；V=As，Sb)[12]； 材料，这类材料不同于传统意义上的金属和绝缘 具有分层蜂窝晶格的化合物Na2IrO3[13]；钙钛矿 体，它的体 电子态是有能隙的绝缘体 (或半导体)， 化合物YBiO3以及反钙钛矿型氮化物 ((Oa3N)Bi 而表面则是无能隙的金属态．拓扑绝缘体的表面金 和 (Sr3N)Bi)[14]等．过去人们一直认为 自旋一轨道 属态 由体 电子态的拓扑结构对称性决定，其表面会 耦合作用是驱动能带反转进而形成拓扑绝缘体 的 产生 由时间反演对称性保护的无能隙的表面 电子 决定因素，只有重元素中才具有强的 自旋一轨道耦 态 [卜 ．正是由于拓扑绝缘体的这种独特性质使其 合作用 [，．因而，到 目前为止人们探索新的拓扑 在低能耗 电子器件和容错量子计算等领域具有 巨 绝缘体大都围绕在 由重金属元素参与组成的材料 大的潜在应用价值． 之中．最近，朱志勇等 l【5,16】报道仅含有轻元素的 继第一次提出拓扑绝缘体后，时间反演不变的 GaS和GaSe可 以通过施加应力的方式形成拓扑反 拓扑绝缘体从二维(2D)推广到三维体系(3D)[5-7]， 带结构，他们认为 自旋一轨道耦合作用不是驱动能 人们在多种材料体系中不断发现新的三维拓扑 带反转 f或者说产生拓扑绝缘性1的主要原因．然 绝缘体，如辉碲铋矿结构 的Bi2Te3，Bi2 3和S— 而，在他们的工作 中并没详细给出应变诱导能带反 国家 自然科学基金 (批准号11074160)、教育部新世纪优秀人才支持计划 (批准：NCET一10—0126)、河北省应用基础研 究计划重