基于狄拉克能带的量子反常霍尔效应材料的理论研究开题报告

1. 研究目的与意义

研究背景：量子反常霍尔效应在理论上首次由haldane提出，它是一种新颖的二维拓扑量子态，其体态存在能隙是绝缘的，但是样品材料的边缘却存在金属性的边缘导电通道，有净的电荷流，可以无热耗散地导通电流，相当于理想的导线，极有可能应用到未来的低能耗电子器件中。虽然目前理论上已经预言了许多可能存在量子反常霍尔态的材料体系，但是可实现实验观测的实际量子反常霍尔态材料体系却非常少，实验上仅在过渡金属原子掺杂的(bi,sb)₂te₃薄膜体系及铁磁mnbi₂te₄薄膜体系中实现了对该重要二维拓扑量子态的观测。因此，设计出更多易于实验观测的稳定量子反常霍尔态材料体系对于推动该研究领域未来的发展是非常重要的。理论研究发现，从线性狄拉克能带出发，通过引入合适的磁性交换场和rashba自旋轨道耦合作用，使体系打开拓扑非平庸能隙，是一种很好的实现量子反常霍尔效应的理论机制。本课题主要通过基于密度泛函理论的第一性原理计算方法开展理论研究，构建具有狄拉克能带的二维honeycomb晶格结构材料的原子结构模型，计算其电子结构，并通过外加调控手段，设计出具有量子反常霍尔效应的材料。

2. 研究内容和预期目标

研究内容：

筛选出常见的产生线性狄拉克能带的二维晶体结构类型，总结出若干种能够基于线性狄拉克型能带实现量子反常霍尔效应的理论机制模型。石墨烯、硅烯等二维材料具有honeycomb晶格结构，它们的费米能级附近具有线性狄拉克能带，通过基于密度泛函理论的第一性原理计算方法寻找合适的磁性吸附原子或者磁性衬底材料，使得石墨烯或硅烯的狄拉克能带中能够被引入合适的磁性交换场和rashba自旋轨道耦合作用，进而调控石墨烯或硅烯实现量子反常霍尔效应。除了石墨烯和硅烯外，构建其它类型的包含过渡金属原子的二维honeycomb晶格结构材料，通过第一性原理计算方法筛选出具有磁性且狄拉克能带完全自旋极化的材料体系，自旋轨道耦合作用在完全自旋极化的自旋向上和自旋向下的狄拉克能带的简并点处打开的能隙都是拓扑非平庸的，即可实现量子反常霍尔效应。本课题主要是采用第一性原理计算方法设计出基于线性狄拉克能带实现量子反常霍尔效应的材料。

3. 研究的方法与步骤

研究方法：

（1）复习量子力学和固体物理学，了解密度泛函理论基本知识。

（2）利用vesta软件建立具有honeycomb晶格结构的二维材料的原子结构模型。

4. 参考文献

[1] qiao z h, yang s a, feng w x, tse w k, ding j, yao y g, wang j, and niu q, quantum anomalous hall effect in graphene from rashba and exchange effects [j]. physical review b, 2010, 82: 161414(r).

[2] you j y, zhang z, gu b, and su g, two-dimensional room-temperature ferromagnetic semiconductors with quantum anomalous hall effect [j]. physical review applied, 2019, 12: 024063.

[3] marrazzo a, gibertini m, campi d, mounet n, and marzari n, prediction of a large-gap and switchable kane-mele quantum spin hall insulator [j]. physical review letters, 2018, 120: 117701.

5. 计划与进度安排

(1) 2022-12-14～2022-03-01 学生复习量子力学和固体物理等基础课程，学习密度泛函理论的基本知识；

(2) 2022-03-02～2022-03-12 调研有关基于狄拉克能带实现量子反常霍尔效应的相关文献资料，提出研究方案，完成开题报告，教师完成开题报告的审核。

(3) 2022-03-13～2022-04-10学习晶体模型的建立方法；学习第一性原理计算软件包vasp的使用方法；用第一性原理方法计算石墨烯、硅烯等材料的电子结构特性，主要是能带结构；寻找并构建其他种类的二维honeycomb晶格结构材料，计算它们的电子结构特性，选择具有完全自旋极化的狄拉克能带的材料体系。