Тема: ОСОБЕННОСТИ ЭЛЕКТРОННОЙ СТРУКТУРЫ ОБЪЁМА, ПОВЕРХНОСТИ И ТОНКИХ ПЛЁНОК VSb2Te4 и VSb2Te2Se2

В настоящее время важным направлением развития электроники является уменьшение размеров электронных компонентов и интегральных схем, повышение энергоэффективности электронных устройств благодаря уменьшению энергетических потерь за счёт обратного рассеяния электронов. Одним из способов решения обозначенных проблем является использование принципиально новых материалов и учет специфики их свойств при проектировании и конструировании электронных систем. Такой подход станет толчком для развития таких высокотехнологичных отраслей промышленности как электроника и спинтроника, и позволит создавать магнитоэлектронные и оптоэлектронные устройства нового поколения.
Примером таких перспективных материалов являются соединения в топологически нетривиальных фазах [1]. Ключевой особенностью, отличающей их от широко применяемых в электронике материалов, являются особые (поверхностные или краевые) электронные состояния, которые позволяют осуществлять бездиссипативный транспорт электронов. Такими многообещающими материалами являются графен [2], топологические изоляторы (ТИ) [3], антиферромагнитные ТИ (АФМ ТИ) [4] и другие [5]. Наличие у них особых электронных состояний позволит создать элементы высокоскоростной и энергоэффективной наноэлектроники, функционирование которых не будет подвержено влиянию дефектов кристаллической структуры. Таким образом, поиск и дальнейшее исследование таких материалов является одной из первостепенных задач современной физики конденсированного состояния.
Актуальность. Актуальность работы определяется, прежде всего, высоким прикладным потенциалом АФМ ТИ, поскольку в них наблюдаются эффекты, позволяющие реализовать бездиссипативный транспорт электронов. На данный момент предложено сравнительно немного систем в фазе АФМ ТИ, в которых одним из основных структурных элементов является монохалькогенид Mn [6]. При этом Sb-содержащие соединения, включающие монохалькогенид V остаются не исследованными. В связи с чем актуальной задачей является изучение электронной структуры соединений VSb2Te4 и VSb2Te2Se2.
Основной целью работы является изучение электронных и топологических свойств VSb2Te4 и VSb2Te2Se2. Для достижения данной цели были решены следующие задачи:
- провести исследование кристаллической структуры VSb2Te4 и VSb2Te2Se2 - определить равновесные значения параметров решетки и положения атомов;
- провести исследование магнитной структуры VSb2Te4 и VSb2Te2Se2 и определить равновесную магнитную структуру;
- провести исследование зонной структуры объёма и поверхности VSb2Te4 и VSb2Te2Se2;
- определить их принадлежность к топологически нетривиальным фазам.
Научная новизна работы заключается в том, что впервые изучены электронные свойства VSb2Te4 и VSb2Te2Se2 и произведена их топологическая идентификация.
Методологическая и теоретическая основа исследования. Данное исследование проведено в рамках теории функционала электронной плотности [7], которая относится к первопринципным (квантово-механическим) методам расчёта электронной структуры, методом проекционных плоских волн [8], реализованным в программном пакете VASP [9].

Купить

В данной работе представлены результаты детального теоретического исследования электронных структур VSb2Te4 и VSb2Te2Se2. Обнаружено, что VSb2Te4 является антиферромагнитным топологическим изолятором.
На основании полученных результатов были сделаны следующие выводы:
1) Проникновение бислоя монохалькогенида ванадия в центр пятислойных блоков Sb2Te3 и Sb2Te2Se и образование семислойных блоков VSb2Te4 и VSb2Te2Se2 является энергетически выгодным. Как VSb2Te4, так и VSb2Te2Se2 кристаллизуются в ромбоэдрической кристаллической структуре, представляющей собой семислойные блоки, разделённые ван-дер-ваальсовыми промежутками.
2) В основном состоянии VSb2Te4 и VSb2Te2Se2 являются межслоевыми антиферромагнетиками. Обладают магнитной анизотропией типа легкая плоскость с индексами (0001). Небольшие изменения (3 % или менее) параметра решётки в гексагональной плоскости не приводят к качественным изменениям магнитного упорядочения или магнитной анизотропии.
3) По характеру зонной структуры объёма VSb2Te4 и VSb2Te2Se2 являются узкозонными полупроводниками. Значение Z2-инварианта для VSb2Te4 равно 1, а для VSb2Te2Se2 - 0. Поэтому первый является топологическим изолятором, а второй - тривиальным полупроводником.
4) Образование бесщелевого поверхностного состояния (конуса Дирака) в VSb2Te4 происходит при толщине тонкой плёнки в пять семислойных блоков. В VSb2Te2Se2 образование подобного состояния не происходит, что согласуется с полученным для VSb2Te2Se2 значением Х2-инварианта. Точка Дирака в зонном спектре тонких плёнок и поверхности VSb2Te4 смещена из точки Г за счёт in-plane намагниченности.
Расчёты выполнены с использованием ресурсов вычислительного кластера SKIF Cyberia Томского Государственного Университета.

Купить