文 献 综 述
摘要：拓扑绝缘体是一种新的量子物质态。它的典型特征是体电子态是有能隙的绝缘态，表面态则是无能隙的金属态，属于Dirac 粒子系统。由于其独特的能带结构，拓扑绝缘体是当前凝聚态物理领域中的一个热点问题。理论和实验证实，Bi2Se3单晶具有较大的体能隙和单一Dirac 锥表面态，其已经迅速成为了拓扑绝缘体研究中的热点材料。本文简要阐述了第一性原理方法的基本理论和关于Bi2Se3研究的最新进展等，之后我们将使用Abinit开展材料性质计算，计算1~4QL Bi2Se3薄膜的电子结构，然后观察单侧修饰对薄膜电子结构的影响。
关键词：拓扑绝缘体 Bi2Se3 第一性原理 Abinit
1 引言
拓扑绝缘体是一种具有新奇量子特性的物质状态，是一种近几年在凝聚态物理、固体化学与材料领域掀起科学风暴的“明星”材料[1-3]。其体材料是有能隙的绝缘体, 而其表面是无能隙的金属态[4]。由于强自旋-轨道耦合作用，表面态受到体能带结构的时间反演对称保护，不易受到体系中缺陷和杂质的影响[5]。2005年和2006年，Kane[6]和张首晟[7]分别预言了，利用电子自旋-轨道耦合，拓扑绝缘体在零磁场下可以实现量子自旋霍尔效应。而Sb2Te3, Bi2Se3, Bi2Te3是目前拓扑绝缘体的研究热点，其表面态本征物性的研究备受关注。如今人们主要采取掺杂与化学改性对单晶块体样品的费米能级进行调控，使费米能级只与表面态相交, 凸显表面态相关的新奇物理现象[4]。作为适合于高效率的自旋信息传输和处理的新材料[8]，拓扑绝缘体可以用来发展未来新型量子功能材料, 将在新原理纳电子器件、自旋电子器件、自容错的拓扑量子计算、表面催化及清洁能源等方面有着巨大的应用前景[4]。
2 拓扑绝缘体的研究进展
2.1 拓扑绝缘体的理论发展
上世纪七八十年代的一系列重大实验和理论发现，开始了人们对固体中电子拓扑态的研究，其中最著名的是整数量子霍尔效应和贝里相位理论[9]。霍尔效应是一种古老的电磁学效应。1980年，德国物理学家冯.克里青在研究半导体异质结界面处的二维电子气在强磁场下的性质时发现，其霍尔电阻在强磁场下偏离与磁场的线性关系，呈现出阶梯形状[10]（见图1），每个阶梯平台所对应的电阻值为e2/h（e是基本电荷，h是普朗克常数）的整数倍。这就是整数量子霍尔效应[11]。量子霍尔效应事实上就是一种广义的拓扑绝缘体。整数量子霍尔效应具有高度稳定的超电流，但其所需的强磁场限制了它的应用。
图1 二维电子气在强磁场下的朗道能级
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