磁场对WSe2能谷性质调控的第一性原理研究

论文摘要

探索电子的自由度及其应用是当今凝聚态物理的一个核心问题。传统电子学通过操控电荷自由度来处理信息,其发展已经临近极限。自旋电子学基于电子自旋自由度来进行编码,可以实现更高效的信息处理。最近发现一些晶体中的电子存在一种全新的量子自由度——能谷赝自旋。类似于电子自旋在磁场中的塞曼效应,由于能谷赝自旋的存在,这些材料在磁场中会有能谷塞曼效应。近几年能谷塞曼效应在实验上得到证实,但是一些基础问题尚不清楚,能带结构、自旋态、轨道磁矩和贝利曲率对外磁场的响应还有待研究。我们基于第一性原理计算对WSe2单层在磁场中的能谷电子学特性进行了研究,主要研究工作为:我们的计算表明,外磁场破坏了体系的时间反演对称性,打破了能谷的能量简并,使得不等价能谷处的带隙不同,导致了能谷塞曼效应。我们计算了在不同磁场下体系的能带,发现能谷塞曼劈裂随磁场B线性变化,变化率为0.21meV/Tesla,与实验符合得很好。轨道磁矩的计算研究表明,不等价能谷的轨道磁矩大小相等方向相反,在磁场中使得不等价能谷的能带朝相反方向移动,造成能谷塞曼劈裂。能谷塞曼劈裂主要是由于W原子轨道磁矩的贡献,但能谷轨道磁矩的贡献不能忽略;我们计算了WSe2单层最高价带和最低导带的贝利曲率,发现不等价能谷处的贝利曲率大小相等符号相反。但在外磁场中它们的贝利曲率的值大小不再相同,其差值也线性地依赖于磁场B;我们计算了体系的圆二色性和介电函数,发现在外磁场中,与能谷相关的光选择定则仍然成立,不等价能谷所吸收圆偏振光的极性相反,因此仍然可以在磁场中通过不同极性的圆偏振光实现能谷的选择性激发。在未加磁场时,计算的左旋和右旋圆偏振光的介电函数吸收峰是重合的。在施加磁场后,计算发现左旋和右旋圆偏振的介电函数吸收峰产生了劈裂,与实验测量的光致发光谱符合得很好。此外,我们还通过计算联合态密度,解释了光致发光谱的展宽和劈裂峰的相对强度。我们的研究阐明了能谷塞曼效应的机制,验证和解释了实验结果,为进一步研究和利用能谷塞曼效应提供了参考。

论文目录

摘要

abstract

第1章绪论

1.1 引言

1.2 能谷电子学与过渡金属硫族化合物

1.2.1 能谷电子学简介

1.2.2 过渡金属硫族化合物及其能谷相关物理性质

1.3 本论文的研究意义和主要研究内容

1.3.1 研究意义

1.3.2 研究内容

1.4 小结

第2章理论基础和计算软件

2.1 引言

2.2 近似方法与密度泛函理论

2.2.1 波恩-奥本海默近似和哈特利-福克近似

2.2.2 霍亨伯格-孔恩定理和孔恩-沈吕九方程

2.2.3 局域密度近似和广义梯度近似

2.2.4 赝势方法

2.3 计算方法和计算软件简介

2.3.1 贝利曲率的计算方法

2.3.2 介电函数的计算方法

2.3.3 OpenMX和 Wannier90 简介

2.4 小结

2单层能谷性质的调控'>第3章磁场对WSe₂单层能谷性质的调控

3.1 引言

3.2 计算模型和关键参数

3.3 计算结果和讨论

2 单层的原子轨道分析和磁场对能带的调控的讨论'> 3.3.1 关于WSe₂单层的原子轨道分析和磁场对能带的调控的讨论

2 单层贝利曲率的计算结果的分析和讨论'> 3.3.2 关于WSe₂单层贝利曲率的计算结果的分析和讨论

2 单层圆二色性的能谷差异性的研究'> 3.3.3 关于WSe₂单层圆二色性的能谷差异性的研究

2 单层介电函数的调控的研究'> 3.3.4 关于磁场对WSe₂单层介电函数的调控的研究

3.4 小结

第4章总结和展望

4.1 总结

4.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表论文和科研情况

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 刘文超

导师: 彭向阳

关键词: 能谷电子学,单层,磁场,贝利曲率,第一性原理计算

来源: 湘潭大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 湘潭大学

分类号: O469

DOI: 10.27426/d.cnki.gxtdu.2019.000273

总页数: 43

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