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论文摘要

拓扑晶体绝缘体和拓扑绝缘体的材料预测和性质研究

博士研究生：刘军伟

指导教师：顾秉林 院士

指导教师：段文晖 教授

所属院系：物理系

论文摘要

        基于第一性原理计算，紧束缚模型计算和k • p微扰理论，我们研究了拓扑晶体绝缘体及拓扑绝缘体等的材料实现以及它们在电场和应变下的响应。

        首先，我们发现三维拓扑晶体绝缘体依赖于表面取向存在两类有着定性区别的表面态，并预测了它们具体的性质。第一类表面态由偶数个以时间反演不变动量点为中心的狄拉克锥组成，典型代表为{111}表面态。第二类表面态也由偶数个狄拉克锥组成，但是这些狄拉克锥都不以时间反演不变动量点为中心。而且随着费米能级的改变，其费米面将呈现Lifshitz转变并在态密度上会出现Van Hove奇点，其典型代表为{001}和{110}表面态。两类表面态都受到镜面反演对称性保护。我们的工作发表后不久，很快得到了世界各地多个不同实验组的验证。

        其次，利用准二维体系z → -z的镜面对称性，我们将镜面陈数的概念推广到薄膜材料中，并预测厚度大于5层的奇数层SnTe（001）薄膜都是二维拓扑晶体绝缘体，其边缘上会出现由镜面对称性保护的边缘态。更为重要的是，可以通过施加外加电场来破坏体系的镜面对称性，从而打开边缘态的能隙。基于此特性，我们提出了一种拓扑晶体管：可以实现比较高的开关速率以及比较低的功耗，而且可以实现对电荷输运以及自旋输运的同时控制。

        之后，我们发现SnTe类拓扑晶体绝缘体的（111）薄膜可以实现电场调控的量子自旋霍尔绝缘体。随着层厚的变化，薄膜将在拓扑相和普通相之间转变：14层SnTe薄膜是量子自旋霍尔绝缘体，12层SnTe薄膜则不是；其能带结构对外加电场也十分敏感，通过很小的外加电场就可以实现其拓扑相变，如仅施加4×107 V/m的电场就可以将12层SnTe薄膜转变为量子自旋霍尔绝缘体。

        最后，我们以Bi2Se3等材料为例，研究拓扑相在应变下的响应。研究发现对于价带顶和导带底具有相反宇称的窄能隙半导体，原则上几乎都可以通过合适的应变来实现其拓扑转变。其主要原因是此时导带底和价带顶对于外加应变完全相反的响应。我们的工作表明应变是一种很有效的调节材料拓扑性质的手段，从而可以利用应变来发现新的拓扑材料以及更好地实现拓扑材料的实际应用。

下一节:物理系-刘军伟答辩

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第1周 经管学院

-王鑫《国际化对中国工资差距的影响研究》

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第2周 化学系、金融学院、马院

-吴宇恩《Pt-Ni双金属催化剂的可控合成及催化性质研究》

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-段昊泓《单原子层铑片及铑基二元纳米晶的合成及其催化性能研究》

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-刘凯《新颖拓扑结构的超两亲分子的构筑与功能》

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-谢臣哲《金融危机后央行调整存贷款基准利率对汇率影响的实证研究》

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-张祎嵩《政治经济学视角下的欧债危机和欧洲经济政策》

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第3周 工物系、自动化系、建筑学院

-吴文斌《基于并行技术的2D/1D耦合三维全堆输运方法研究》

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-李月标《交通流缺失数据补偿算法的研究》

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-房宇巍《从采育镇会所设计九号地看传统住宅的当代建构》

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-朱琳《以浅空间理论分析中国园林并应用于凤河会所6号院设计》

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-杨睿《北京国家大剧院西侧街区保护与复兴设计策略初探》

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第4周 建筑学院、航院、自动化系、计算机系、信研院

-邓施莹《应对南方滨海气候环境的酒店过渡空间优化设计研究——以广西北海银滩假日酒店为例》

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-任兆欣《超音速两相混合层中颗粒弥散与响应机制的研究》

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-杨凯棣《孤立过饱和交叉口信号配时问题研究》

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-秦利静《推荐系统模型与学习算法研究》

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-吴成钢《Property Testing and Related Problems》

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第5周 环境学院、人文学院、物理系

- 哈米德《Methane Combustion over Lanthanum-based Perovskite Mixed Oxides》

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-刘军伟《拓扑晶体绝缘体和拓扑绝缘体的材料预测和性质研究》

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