二维层状MnBi2Te4电子结构特性的理论研究开题报告

1. 研究目的与意义

研究背景：磁性和拓扑的相互作用是凝聚态物理中的一个重要研究课题，是探索新的物理效应的重要途径，如量子反常霍尔效应、轴子电动力学、majorana费米子等。然而，由于缺乏合适的实际材料，这些新奇的物理效应在实验上很难被观测。最近，研究者预测了一类由层状mnbi₂te₄构成的范德瓦尔斯型材料，其层内为铁磁构型，层间为反铁磁构型。研究者发现mnbi₂te₄具有非常丰富的磁性及拓扑特性，例如，表面具有拓扑轴子态的反铁磁拓扑绝缘态，具有一对轴子点的Ⅱ型磁性外尔半金属，以及分别位于偶数层和奇数层薄膜中的本征轴子绝缘态和量子反常霍尔态。最近，研究者发现层状反铁磁mnbi₂te₄薄膜是一种具有较大能隙的本征量子反常霍尔态材料。因此，具有二维层状晶体结构类型的mnbi₂te₄具有重要的研究价值。本课题主要是采用第一性原理计算方法详细地研究二维层状mnbi₂te₄材料的电子结构特性，特别是磁构型、能带结构等性质。

研究目的：通过第一性原理方法计算二维bi₂te₃薄膜材料、二维层状mnbi₂te₄材料的电子结构特性，包括晶格常数、磁性、能带结构等，分析二维层状mnbi₂te₄材料的磁构型及能带结构。

2. 研究内容和预期目标

研究内容：

首先，建立三维层状材料bi₂te₃的原子结构模型，采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法研究三维bi₂te₃的电子结构特性，另外，构建少数层厚的二维bi₂te₃薄膜材料的结构模型，计算获得其能带结构并分析计算结果。接下来，构建二维单层mnbi₂te₄的原子结构模型，采用第一性原理方法计算其电子结构特性，包括晶格常数、磁性、能带结构、态密度等，通过分析计算数据结果，得出单层mnbi₂te₄的性质。最后，构建双层mnbi₂te₄的原子结构模型，计算研究其磁构型及能带结构等性质，同时，在双层mnbi₂te₄的基础上，继续研究三层、四层及更多层情况下的mnbi₂te₄薄膜材料的磁构型。

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软件建立三维层状材料bi₂te₃的原子结构模型，少数层厚的二维bi₂te₃薄膜材料的结构模型和二维单层mnbi₂te₄的原子结构模型。

4. 参考文献

[1]li j, li y, du s q, wang z, gu b, zhang s c, he k, duan w h, and xu y, intrinsicmagnetic topological insulators in van der waals layered mnbi₂te₄-familymaterials [j]. science advances, 2019, 5: eaaw5685.

[2]zhang h j, liu c x, qi x l, dai x, fang z, and zhang s c, topological insulatorsin bi₂se₃, bi₂te₃ and sb₂te₃ with a single dirac cone on the surface [j]. nature physics, 2009, 5: 438-442.

[3]fu h x, liu c x, and yang b h, exchange bias and quantum anomalous hall effectin the mnbi₂te₄/cri₃ heterostructure [j].science advances, 2020, 6: eaaz0948.

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 调研有关二维层状mnbi₂te₄材料的相关文献资料，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二维bi₂te₃薄膜材料、二维层状mnbi₂te₄材料的电子结构性质，包括，晶格结构、磁性、能带结构等。