CN111952363B - 能实现拓扑绝缘体表面态调控的超晶格[GeTe/Sb2Te3]n材料 - Google Patents
能实现拓扑绝缘体表面态调控的超晶格[GeTe/Sb2Te3]n材料 Download PDFInfo
- Publication number
- CN111952363B CN111952363B CN202010836781.3A CN202010836781A CN111952363B CN 111952363 B CN111952363 B CN 111952363B CN 202010836781 A CN202010836781 A CN 202010836781A CN 111952363 B CN111952363 B CN 111952363B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- superlattice
- gete
- doping
- energy band
- atoms
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000000463 material Substances 0.000 title claims abstract description 112
- 229910005900 GeTe Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 81
- 239000012212 insulator Substances 0.000 claims abstract description 24
- 229910052748 manganese Inorganic materials 0.000 claims abstract description 8
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 5
- 229910052772 Samarium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 4
- 229910017629 Sb2Te3 Inorganic materials 0.000 claims description 13
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 claims description 9
- 239000010409 thin film Substances 0.000 claims description 8
- 238000005234 chemical deposition Methods 0.000 claims description 4
- 238000005289 physical deposition Methods 0.000 claims description 4
- 239000013590 bulk material Substances 0.000 claims description 2
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 30
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 23
- 238000000034 method Methods 0.000 description 23
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N iron Substances [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 15
- 239000011572 manganese Substances 0.000 description 15
- 230000008859 change Effects 0.000 description 7
- 230000001808 coupling effect Effects 0.000 description 7
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 7
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 7
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 6
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 5
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 5
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 5
- 238000011160 research Methods 0.000 description 5
- 229910052787 antimony Inorganic materials 0.000 description 4
- WATWJIUSRGPENY-UHFFFAOYSA-N antimony atom Chemical group [Sb] WATWJIUSRGPENY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 4
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 4
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 4
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 4
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 4
- 238000009987 spinning Methods 0.000 description 4
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 4
- 230000005428 wave function Effects 0.000 description 4
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical group [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000011651 chromium Substances 0.000 description 3
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 3
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 description 3
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 3
- 238000003775 Density Functional Theory Methods 0.000 description 2
- 238000005411 Van der Waals force Methods 0.000 description 2
- 102100021164 Vasodilator-stimulated phosphoprotein Human genes 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 2
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 description 2
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 2
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 2
- 229910002899 Bi2Te3 Inorganic materials 0.000 description 1
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical group [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052691 Erbium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052688 Gadolinium Inorganic materials 0.000 description 1
- PWHULOQIROXLJO-UHFFFAOYSA-N Manganese Chemical group [Mn] PWHULOQIROXLJO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052779 Neodymium Inorganic materials 0.000 description 1
- FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M Sodium chloride Chemical group [Na+].[Cl-] FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 239000010408 film Substances 0.000 description 1
- 238000009396 hybridization Methods 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 239000011229 interlayer Substances 0.000 description 1
- 238000012804 iterative process Methods 0.000 description 1
- 239000000696 magnetic material Substances 0.000 description 1
- 230000005389 magnetism Effects 0.000 description 1
- 229910052761 rare earth metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002887 superconductor Substances 0.000 description 1
- 230000001960 triggered effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/66984—Devices using spin polarized carriers
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Hall/Mr Elements (AREA)
Abstract
本发明公开了一种能实现拓扑绝缘体表面态调控的超晶格[GeTe/Sb2Te3]n材料，在初始超晶格[GeTe/Sb2Te3]n材料中加入掺杂元素，所述掺杂元素包括锰Mn或铬Cr或钐Sm中的至少一种，以破坏所述超晶格[GeTe/Sb2Te3]n材料的时间反演对称性，使得其表面能带结构的狄拉克点打开，同时产生能带自旋劈裂现象。通过将掺杂元素引入初始超晶格材料，与现有技术相比能够有效解决拓扑绝缘体表面态狄拉克锥调控不易、狄拉克点无法被打开等问题。
Description
技术领域
本发明属于拓扑绝缘材料技术领域，更具体地，涉及一种能实现拓扑绝缘体表面态调控的超晶格[GeTe/Sb2Te3]n材料，可通过磁性原子掺杂调控超晶格材料[GeTe/Sb2Te3]n拓扑绝缘性能。
背景技术
拓扑绝缘材料这一新型物质态的发现，使得人们在量子计算的实现上看到了新的方向。拓扑绝缘体不能与传统的绝缘体和半导体产生热作用，但经研究发现拓扑超导体材料在产生能隙后发现了由Majorana费米子组成的表面态，为实现拓扑量子计算提供了新的方向。目前对第三代拓扑绝缘体材料Sb2Te3、Bi2Te3等已经有许多相关研究，由于这类材料的六层周期结构，使得其表面态的狄拉克锥能够在实验和理论上都得到观测和证明，这一系列材料的研究对于拓扑绝缘体的发展有着重要作用。
超晶格薄膜材料作为一种由两种不同的半导体材料薄层依次交替生长所得到的材料，可以通过实验操作来控制各材料的膜层厚度以此来调节材料特性，2012年，萨百晟等人对在超晶格薄膜材料[GeTe/Sb2Te3]n进行了第一性原理计算，通过计算发现该材料在考虑自旋耦合作用时，表面能带呈现明显狄拉克锥状，而体能带则为有带隙的绝缘态，结果表明超晶格薄膜材料[GeTe/Sb2Te3]n具有拓扑绝缘特性，将拓扑绝缘体材料的领域进一步扩大到了超晶格薄膜材料中。
拓扑绝缘体的性能主要由其表面能带的狄拉克锥所决定，对拓扑绝缘体进行调控观察其表面态的变化可以帮助我们发现许多新奇的物理现象，而如何实现拓扑绝缘体表面态的调控则是科研人员亟需解决的一大难题。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种能实现拓扑绝缘体表面态调控的超晶格[GeTe/Sb2Te3]n材料，通过对不同的掺杂元素引入初始超晶格材料，通过能带结构图能够明显看出掺杂后的超晶格材料的表面能带结构的狄拉克点打开，同时引发能带产生自旋劈现象，尤其还能够实现能带劈裂大小超过100meV的能带自旋劈裂。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种能实现拓扑绝缘体表面态调控的超晶格[GeTe/Sb2Te3]n材料，其特征在于，在初始超晶格 [GeTe/Sb2Te3]n材料中加入掺杂元素，所述掺杂元素包括锰Mn或铬Cr或钐Sm中的至少一种，以破坏所述超晶格[GeTe/Sb2Te3]n材料的时间反演对称性，使得其表面能带结构的狄拉克点打开，同时产生能带自旋劈裂现象。
作为本发明的进一步优选，所述自旋劈裂现象对应的能带自旋劈裂大于100meV。
作为本发明的进一步优选，所述掺杂元素的原子个数掺杂浓度不超过 15％。
作为本发明的进一步优选，所述掺杂元素掺杂在Sb2Te3子层内，或掺杂在GeTe子层内，或同时掺杂在Sb2Te3子层和GeTe子层内。
作为本发明的进一步优选，所述掺杂元素在超晶格结构中的掺杂方式，为替位掺杂和/或间隙掺杂。
作为本发明的进一步优选，所述掺杂后的超晶格材料为薄膜或块材。
作为本发明的进一步优选，其制备方法为物理沉积或化学沉积。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，由于向拓扑绝缘体材料(即超晶格[GeTe/Sb2Te3]n材料)中掺杂磁性原子，通过控制掺杂元素的具体种类，能够有效调整材料的拓扑绝缘性，并得到一类新型的磁性原子掺杂的超晶格[GeTe/Sb2Te3]n材料。本发明通过磁性原子的掺杂来对拓扑绝缘体性能进行调控是一种有效改善拓扑绝缘体性能的途径，通常选取合适位置及浓度进行掺杂对实验研究尤为重要，而本发明通过使用磁性原子掺杂，摆脱了材料改性对掺杂方式的依赖，替位掺杂、间隙掺杂等单一存在或多种并存的掺杂方式均可实现对超晶格[GeTe/Sb2Te3]n材料拓扑绝缘性的调控(当然，用磁性原子对超晶格材料中锑原子进行替代式掺杂具有更优的调控效果)。由于掺杂后，材料晶体结构及内部参数发生变化，导致拓扑绝缘性能发生改变(例如，磁性原子掺杂前后超晶格材料[GeTe/Sb2Te3]n晶体结构参数的变化包括：掺杂前后费米能级位置变化、态密度结构变化、导带和价带之间关系变化以及表面能带结构变化)，并且，还能够产生能带自旋劈裂现象，优选的能带自旋劈裂现象对应的能带劈裂大小超过100meV。
通过本发明得到的新型磁性原子掺杂超晶格[GeTe/Sb2Te3]n材料，具有如下优点：通过不同成分及不同种类磁性原子的掺杂，可以对其拓扑绝缘性实行有效调控。本发明中磁性原子在超晶格结构中的掺杂方式，可以为替位掺杂、间隙掺杂等掺杂方式，也可以是多种掺杂方式同时存在；以采用替位式掺杂的方式为例，用磁性原子对超晶格材料中锑原子(Sb)进行替代掺杂，磁性原子的引入能够破坏超晶格材料[GeTe/Sb2Te3]n的时间反演对称性，而使得其表面能带结构的狄拉克点打开，同时引发能带产生自旋劈裂现象。通过调节磁性原子的掺杂浓度可以对超晶格材料[GeTe/Sb2Te3]n自旋劈裂程度进行调节，有望应用于自旋电子器件中，实现器件的室温运行和小型化。
本发明针对超晶格[GeTe/Sb2Te3]n材料，通过磁性原子掺杂，除了在 [GeTe/Sb2Te3]n材料体系中磁性原子的引入可破坏体系原有的时间反演对称性外，磁性原子还将与其邻近原子产生轨道杂化作用，使得掺杂后的结构出现了自旋向上及向下方向上态密度出现不对称的情况，产生诱导磁矩，使得 [GeTe/Sb2Te3]n材料由非磁性的拓扑绝缘体演变为具备磁性的结构体系。同时[GeTe/Sb2Te3]n材料原有的狄拉克锥表面态产生变化，狄拉克点被打开，出现微小带隙(该带隙宽度可根据后续实际应用需求调整掺杂浓度而灵活调整)，能带出现不同程度的自旋劈裂现象，以实现对其表面能带自旋劈裂程度的调控。通过本发明，还可以通过控制掺杂浓度对超晶格[GeTe/Sb2Te3]n材料表面能带自旋劈裂程度进行调控，从而可实现包括拓扑绝缘性在内的材料性质的综合改性调控。
另外，磁性原子掺杂前后超晶格材料[GeTe/Sb2Te3]n晶体结构参数会发生变化，例如，掺杂前后费米能级位置、态密度结构、导带和价带之间关系以及表面能带结构等均会发生变化。通过本发明不难看出，磁性原子的掺杂对拓扑绝缘性能有着关键的影响，为超晶格材料[GeTe/Sb2Te3]n在自旋电子器件的应用提供了新途径。
附图说明
图1为本发明所述新型材料的设计方法流程示意图。
图2为考虑自旋耦合作用下磁性元素Fe原子掺杂浓度为5.8％时的表面能带结构图。
图3为考虑自旋耦合作用下磁性元素Mn原子掺杂浓度为5.8％时的表面能带结构图。
图4为考虑自旋耦合作用下磁性元素Fe原子掺杂浓度为3.7％时的表面能带结构图。
图5为考虑自旋耦合作用下磁性元素Mn原子掺杂浓度为3.7％时的表面能带结构图。
图6为考虑自旋耦合作用下未掺杂时纯净的超晶格材料[GeTe/Sb2Te3]n表面能带图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明是用磁性原子掺杂超晶格[GeTe/Sb2Te3]n材料；其中n为正整数，表示周期数。首先，基于第一性原理的密度泛函理论，通过计算磁性原子掺杂前后超晶格材料[GeTe/Sb2Te3]n表面能带结构的变化，得到不同浓度的磁性原子掺杂对超晶格材料[GeTe/Sb2Te3]n拓扑绝缘性能的影响。具体地，采用广义梯度近似交换关联泛函，利用vasp软件包通过第一性原理计算，从理论角度解释磁性原子掺杂对超晶格材料[GeTe/Sb2Te3]n拓扑绝缘性能的影响。
计算过程主要包括：先建立超晶格材料的周期重复单元结构模型，进行表面裁切得到表面结构后进行超胞扩建，用不同比例的磁性原子取代锑原子，然后进行结构优化，获得最稳定结构后，进行相关晶格参数计算，所述磁性原子为锰Mn、铁Fe、铬Cr、镍Ni等磁性原子，所述掺杂浓度优选不超过15％(该比例为原子个数比例)。
所述磁性原子掺杂超晶格材料[GeTe/Sb2Te3]n晶体结构模型的构建方法是：
根据超晶格材料的组元材料Sb2Te3的晶体结构，所属R-3m空间群的六角密堆结构，以及组元材料GeTe所属的扭曲岩盐型结构，将Sb2Te3的 001方向与GeTe的111面相叠加，建立与Sb2Te3结构类似的层状结构，选取晶格常数
利用Materialstudio软件建立堆叠顺序为Te-Sb-Te-Te-Ge-Ge-Te-Te-Sb-的九层周期结构，然后对相邻Te-Te原子层进行切割，得到表面结构，此时的表面结构为堆叠顺序Te-Ge-Ge-Te-Te- Sb-Te-Sb-Te-九层结构，其中Te-Sb-Te-Sb-Te-五层结构我们称之为 quintuplelayer层，简称为QL层。
对建立好的表面结构进行超胞扩建，分别在c方向进行×2以及×3倍的超胞扩建，分别得到含2个QL层以及3个QL层的超胞结构。然后分别利用不同的磁性原子对其中一个QL层中的锑原子进行替代，得到掺杂比例小于15％的超晶格材料[GeTe/Sb2Te3]n表面模型。
在计算中所采用的晶格常数为先前研究认可的特征值，电子与电子间的作用力采用GGA方法进行校正，范德瓦尔斯分子作用力采用DFT-D2方法进行校正，平面波的阶段能设置为500eV，自洽场中收敛标准为1×10-4eV/atom，迭代过程能量收敛精度为1×10-5eV/atom，布里渊区k点设定在结构弛豫时为以gamma点为中心自动生成，采样网格大小为7×7×3；能计算时设定为line-mode形式，路径为K-Γ-M，每个对称点间选取30个点。
计算所得结果为材料的表面能带结构，为得到相对较稳定精确的数据，首先对建立好的纯净未掺杂超晶格材料[GeTe/Sb2Te3]n九层周期重复单元进行几何结构的优化，得到稳定结构后再对其进行表面裁切。对所得表面结构建立
的真空层以防止层间作用，并再次进行几何结构优化。
磁性原子掺杂前后超晶格材料[GeTe/Sb2Te3]n晶体结构参数的变化包括：掺杂前后费米能级位置变化、态密度结构变化、导带和价带之间关系变化以及表面能带结构变化。明确磁性原子的掺杂对拓扑绝缘性能的影响，为超晶格材料[GeTe/Sb2Te3]n在自旋电子器件的应用提供预测方法。
以替位掺杂方式为例，本发明中磁性原子掺杂后，以替位掺杂的形式进入超晶格材料[GeTe/Sb2Te3]n内部，磁性原子的引入在体系中引入了磁性，破坏了体系原有的时间反演对称性，使得掺杂后的结构出现了自旋向上及向下方向上态密度出现不对称的情况，产生诱导磁矩，材料由非磁性的拓扑绝缘体演变为具备磁性的结构体系。同时材料原有的狄拉克锥表面态产生变化，狄拉克点被打开，出现微小带隙。
以下为具体实施例：
实施例1：
本实施例选择磁性原子Fe原子对超晶格材料[GeTe/Sb2Te3]n掺杂进行模拟计算，步骤如下：
第一步建立合适的超晶格材料[GeTe/Sb2Te3]n表面结构：
将Sb2Te3的001方向与GeTe的111面相叠加，建立与Sb2Te3结构类似的层状结构，选取晶格常数
利用Material studio软件建立堆叠顺序为Te-Sb-Te-Te-Ge-Ge-Te-Te-Sb-的九层周期结构。
在垂直于超晶格GeTe/Sb2Te3的[001]方向上，切割相邻Te-Te原子层得到表面结构。
第二步选择表面结构进行Fe原子的掺杂：
a.对所建立的超晶格表面建立1×1×2的超胞，选取位于底部QL层中 Sb原子位置，用Fe原子进行替换，得到掺杂浓度为5.8％的Fe掺杂的超晶格材料[GeTe/Sb2Te3]n模型；
b.对所建立的超晶格表面建立1×1×3的超胞，选取位于底部QL层中 Sb原子位置，用Fe原子进行替换，得到掺杂浓度为3.7％的Fe掺杂的超晶格材料[GeTe/Sb2Te3]n模型。
第三步进行对Fe原子掺杂的超胞结构进行模拟计算。
采用基于第一性原理的VASP软件包，通过第一性原理计算分别对上述得到的不同浓度的Fe原子掺杂的超晶格材料[GeTe/Sb2Te3]n模型进行结构优化计算。设定平面波截断能为500eV，对离子实和价电子相互作用采用缀加平面波方法(PAW)来描述，交换关联泛函采用广义梯度近似(GGA)中的 PBE方法，考虑到结构中的范德华作用力采用DFT-D2函数进行修正，能量收敛标准设置为EDIFF＝1.0e-4，打开自旋耦合作用，设定LSORBIT ＝.TRUE，k点设置采用以gamma点为中心自动生成，采样网格大小为7× 7×3；
静态自洽计算。将上一步得到的稳定结构进行静态自洽计算，打开自旋耦合作用，生成波函数文件WAVECAR以及电荷密度数据文件CHGCAR；
在上一步生成的波函数和电荷密度数据文件的基础上，进行表面能带的计算，计算过程中打开自旋耦合作用，k点设置为line-mode形式，计算路径为K-Γ-M，每个对称点间选取30个点。
图2显示了在超晶格材料[GeTe/Sb2Te3]n中，磁性原子Fe原子掺杂浓度为5.8％时的表面能带结构图。
图4显示了在超晶格材料[GeTe/Sb2Te3]n中，磁性原子Fe原子掺杂浓度为3.7％时的表面能带结构图。
由图2和图4可知，Fe原子的引入能够破坏超晶格材料[GeTe/Sb2Te3]n的时间反演对称性，而使得其表面能带结构的狄拉克点打开，同时引发能带产生自旋劈裂现象，在有些k点处，自旋劈裂大于100meV。且随着Fe 原子掺杂浓度的增加，能带出现自旋劈裂现象加强，自旋劈裂程度加大。
实施例2：
本实施例选择Mn原子对超晶格材料[GeTe/Sb2Te3]n掺杂进行模拟计算，步骤如下：
第一步建立合适的超晶格材料[GeTe/Sb2Te3]n表面结构：
将Sb2Te3的001方向与GeTe的111面相叠加，建立与Sb2Te3结构类似的层状结构，选取晶格常数
利用Material studio软件建立堆叠顺序为Te-Sb-Te-Te-Ge-Ge-Te-Te-Sb-的九层周期结构。
在垂直于超晶格GeTe/Sb2Te3的[001]方向上，切割相邻Te-Te原子层得到表面结构。
第二步选择表面结构进行Mn原子的掺杂：
a.对所建立的超晶格表面建立1×1×2的超胞，选取位于底部QL层中 Sb原子位置，用Mn原子进行替换，得到掺杂浓度为5.8％的Mn掺杂的超晶格材料[GeTe/Sb2Te3]n模型；
b.对所建立的超晶格表面建立1×1×3的超胞，选取位于底部QL层中Sb原子位置，用Mn原子进行替换，得到掺杂浓度为3.7％的Mn掺杂的超晶格材料[GeTe/Sb2Te3]n模型。
第三步进行对Mn原子掺杂的超胞结构进行模拟计算。
采用基于第一性原理的VASP软件包，通过第一性原理计算分别对上述得到的不同浓度的Mn原子掺杂的超晶格材料[GeTe/Sb2Te3]n模型进行结构优化计算。设定平面波截断能为500eV，对离子实和价电子相互作用采用缀加平面波方法(PAW)来描述，交换关联泛函采用广义梯度近似(GGA)中的 PBE方法，考虑到结构中的范德华作用力采用DFT-D2函数进行修正，能量收敛标准设置为EDIFF＝1.0e-4，打开自旋耦合作用，设定LSORBIT ＝.TRUE，k点设置采用以gamma点为中心自动生成，采样网格大小为7× 7×3；
静态自洽计算。将上一步得到的稳定结构进行静态自洽计算，打开自旋耦合作用，生成波函数文件WAVECAR以及电荷密度数据文件CHGCAR；
在上一步生成的波函数和电荷密度数据文件的基础上，进行表面能带的计算，计算过程中打开自旋耦合作用，k点设置为line-mode形式，计算路径为K-Γ-M，每个对称点间选取30个点。
图3显示了在超晶格材料[GeTe/Sb2Te3]n中，磁性原子Mn原子掺杂浓度为5.8％时的表面能带结构图。
图5显示了在超晶格材料[GeTe/Sb2Te3]n中，磁性原子Mn原子掺杂浓度为3.7％时的表面能带结构图。
由图3和图5可知，Mn原子的引入能够破坏超晶格材料[GeTe/Sb2Te3]n的时间反演对称性，而使得其表面能带结构的狄拉克点打开，同时引发能带产生自旋劈裂现象，在有些k点处，自旋劈裂大于100meV。且随着Mn原子掺杂浓度的增加，能带出现自旋劈裂现象加强，自旋劈裂程度加大。
上述实施例中，所述的掺杂磁性元素为锰Mn、铁Fe、铬Cr、镍Ni等磁性原子，但不仅限于上述元素，还可以掺杂稀土元素，如钐Sm、钕Nd、钆Gd、铒Er等；还可以是上述多种元素同时掺杂。
上述实施例中，所述的磁性原子掺杂方式为原子替位式掺杂，即用磁性原子对超晶格材料中原子进行替代掺杂；但不仅仅限于上述掺杂方式，还可以使用其他掺杂方式，如原子间隙式掺杂，即磁性原子在原子间进行间隙式掺杂；还可以是替位掺杂、间隙掺杂等多种掺杂方式同时存在掺杂方法。上述实施例中，磁性原子主要是掺杂在超晶格[GeTe/Sb2Te3]n材料的Sb2Te3子层中，实际制备过程中，磁性原子可以掺杂于[GeTe/Sb2Te3]n材料的任何一种子层中或者任何子层中，也可以是在两种子层内同时掺杂所述磁性元素，以达到调控其拓扑绝缘性的目的。例如，磁性原子掺杂既可以在Sb2Te3子层，也可以在GeTe子层，还可以是在两种子层内同时掺杂，或者在任何子层内掺杂。
上述实施例中，因超胞计算建模的需要，原子层数较少，属薄膜范畴。适用于本发明的磁性元素掺杂超晶格[GeTe/Sb2Te3]n材料，不仅可以是薄膜，也可以是块材。
上述实施例中，主要采用理论计算对磁性元素掺杂超晶格 [GeTe/Sb2Te3]n材料的能带结构和电子特性进行了计算和预测，对相关材料的实际制备方法既可采用物理沉积制备方法，也可采用化学沉积制备方法。
可见，本发明通过对初始超晶格[GeTe/Sb2Te3]n材料进行磁性原子掺杂，得到磁性原子掺杂的类超晶格材料[GeTe/Sb2Te3]n，通过磁性原子掺杂其拓扑绝缘性能得到有效调控。本发明基于第一性原理密度泛函理论，通过计算磁性原子掺杂前后超晶格材料[GeTe/Sb2Te3]n表面能带结构变化，证明了掺杂改性后的性能。本发明以Mn、Fe、Cr、Ni等磁性原子为掺杂材料，对不同浓度磁性掺杂的超晶格材料[GeTe/Sb2Te3]n周期重复单元进行了结构优化，计算了不同掺杂浓度下该材料的表面能带结构，表明磁性原子掺杂后的超晶格材料能够产生一定程度的自旋能带劈裂。
上述实施例中的掺杂方式是仅采用替位式掺杂的方式，除了替位掺杂外，磁性原子的掺杂还可以采用间隙掺杂等掺杂方式，当然也可以是多种掺杂方式共同存在。另外，在实际制备时可参考现有技术，例如既可采用物理沉积制备方法，也可采用化学沉积制备方法，从而实现磁性原子掺杂超晶格[GeTe/Sb2Te3]n材料的制备。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种能实现拓扑绝缘体表面态调控的超晶格[GeTe/Sb2Te3]n材料，其特征在于，在初始超晶格[GeTe/Sb2Te3]n材料中加入掺杂元素，所述掺杂元素包括锰Mn或铬Cr或钐Sm中的至少一种，以破坏所述超晶格[GeTe/Sb2Te3]n材料的时间反演对称性，使得其表面能带结构的狄拉克点打开，同时产生能带自旋劈裂现象，所述掺杂元素掺杂在Sb2Te3子层内，或掺杂在GeTe子层内，或同时掺杂在Sb2Te3子层和GeTe子层内，所述掺杂元素在超晶格结构中的掺杂方式，为替位掺杂和/或间隙掺杂。
2.根据权利要求1所述的一种能实现拓扑绝缘体表面态调控的超晶格[GeTe/Sb2Te3]n材料，其特征在于，所述自旋劈裂现象对应的能带自旋劈裂大于100meV。
3.根据权利要求2所述的一种能实现拓扑绝缘体表面态调控的超晶格[GeTe/Sb2Te3]n材料，其特征在于，所述掺杂元素的原子个数掺杂浓度不超过15％。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种能实现拓扑绝缘体表面态调控的超晶格[GeTe/Sb2Te3]n材料，其特征在于，所述掺杂后的超晶格材料为薄膜或块材。
5.根据权利要求1-3任一项所述的一种能实现拓扑绝缘体表面态调控的超晶格[GeTe/Sb2Te3]n材料，其特征在于，其制备方法为物理沉积或化学沉积。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010836781.3A CN111952363B (zh) | 2017-11-17 | 2017-11-17 | 能实现拓扑绝缘体表面态调控的超晶格[GeTe/Sb2Te3]n材料 |
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201711144962.4A CN108091691B (zh) | 2017-11-17 | 2017-11-17 | 磁性原子掺杂的超晶格[GeTe/Sb2Te3]n材料及其相应调控方法 |
| CN202010836781.3A CN111952363B (zh) | 2017-11-17 | 2017-11-17 | 能实现拓扑绝缘体表面态调控的超晶格[GeTe/Sb2Te3]n材料 |
Related Parent Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201711144962.4A Division CN108091691B (zh) | 2017-11-17 | 2017-11-17 | 磁性原子掺杂的超晶格[GeTe/Sb2Te3]n材料及其相应调控方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN111952363A CN111952363A (zh) | 2020-11-17 |
| CN111952363B true CN111952363B (zh) | 2021-12-21 |
Family
ID=62172756
Family Applications (3)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202010836781.3A Active CN111952363B (zh) | 2017-11-17 | 2017-11-17 | 能实现拓扑绝缘体表面态调控的超晶格[GeTe/Sb2Te3]n材料 |
| CN202010836395.4A Active CN111952362B (zh) | 2017-11-17 | 2017-11-17 | 磁性原子掺杂的超晶格材料[GeTe/Sb2Te3]n晶体结构模型的构建方法 |
| CN201711144962.4A Active CN108091691B (zh) | 2017-11-17 | 2017-11-17 | 磁性原子掺杂的超晶格[GeTe/Sb2Te3]n材料及其相应调控方法 |
Family Applications After (2)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202010836395.4A Active CN111952362B (zh) | 2017-11-17 | 2017-11-17 | 磁性原子掺杂的超晶格材料[GeTe/Sb2Te3]n晶体结构模型的构建方法 |
| CN201711144962.4A Active CN108091691B (zh) | 2017-11-17 | 2017-11-17 | 磁性原子掺杂的超晶格[GeTe/Sb2Te3]n材料及其相应调控方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (3) | CN111952363B (zh) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110010178B (zh) * | 2019-03-27 | 2020-10-30 | 华中科技大学 | 一种二维GeTe单晶纳米片及其在相变存储中的应用 |
| CN114613441A (zh) * | 2020-12-07 | 2022-06-10 | 长春工业大学 | 基于d带中心理论的Heusler合金铁磁交换机制与马氏体相变 |
| CN117476117B (zh) * | 2023-12-27 | 2024-04-23 | 宁德时代新能源科技股份有限公司 | 一种晶体结构中初始磁矩的预测方法 |
| CN117912616B (zh) * | 2024-03-19 | 2024-05-24 | 邢台职业技术学院 | 一种基于第一性原理的超晶格构建方法及系统 |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103022344A (zh) * | 2012-12-21 | 2013-04-03 | 清华大学 | 拓扑绝缘体结构 |
Family Cites Families (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8329319B2 (en) * | 2005-10-17 | 2012-12-11 | Agency For Science, Technology And Research | Phase change magnetic material |
| KR100695168B1 (ko) * | 2006-01-10 | 2007-03-14 | 삼성전자주식회사 | 상변화 물질 박막의 형성방법, 이를 이용한 상변화 메모리소자의 제조방법 |
| CN101630559A (zh) * | 2009-07-03 | 2010-01-20 | 北京工业大学 | 一种用于信息存储的(GeTe)a(Sb2Te3)b基稀磁半导体材料 |
| JP2013543652A (ja) * | 2010-09-16 | 2013-12-05 | リサーチ・トライアングル・インスティチュート | 改善された熱電性能指数を有するレアアースでドープされた材料 |
| US9024415B2 (en) * | 2010-12-07 | 2015-05-05 | The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University | Electrical and optical devices incorporating topological materials including topological insulators |
| JP5750791B2 (ja) * | 2012-02-21 | 2015-07-22 | 国立研究開発法人産業技術総合研究所 | スピン電子メモリ及びスピン電子回路 |
| CN103022341B (zh) * | 2012-12-21 | 2015-01-21 | 清华大学 | 拓扑绝缘体结构 |
| KR101882604B1 (ko) * | 2014-05-12 | 2018-08-24 | 내셔날 인스티튜트 오브 어드밴스드 인더스트리얼 사이언스 앤드 테크놀로지 | 결정 배향층 적층 구조체, 전자 메모리 및 결정 배향층 적층 구조체의 제조 방법 |
| US9893280B2 (en) * | 2015-02-06 | 2018-02-13 | Toshiba Memory Corporation | Memory device |
| US20160233420A1 (en) * | 2015-02-10 | 2016-08-11 | Eugeniy Troyan | SEMICONDUCTOR MEMORY DEVICES FOR USE IN ELECTRICALLY ALTERABLE READ ONLY MEMORY (ROM) AND SEMICONDUCTOR THIN FILM DEVICES (SPINTRONS and SPIN-ORBITRONS) |
| CN104991996A (zh) * | 2015-06-11 | 2015-10-21 | 许昌学院 | 一种拓扑绝缘材料的制备工艺 |
| KR102495000B1 (ko) * | 2016-03-18 | 2023-02-02 | 삼성전자주식회사 | 반도체 소자 및 이의 제조방법 |
| CN106941129A (zh) * | 2017-01-17 | 2017-07-11 | 杭州电子科技大学 | 一种用于低功耗相变存储器的GeTe/Bi2Te3超晶格结构存储介质 |
-
2017
- 2017-11-17 CN CN202010836781.3A patent/CN111952363B/zh active Active
- 2017-11-17 CN CN202010836395.4A patent/CN111952362B/zh active Active
- 2017-11-17 CN CN201711144962.4A patent/CN108091691B/zh active Active
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103022344A (zh) * | 2012-12-21 | 2013-04-03 | 清华大学 | 拓扑绝缘体结构 |
Non-Patent Citations (4)
| Title |
|---|
| High-Mobility Sm-Doped Bi2Se3 Ferromagnetic Topological Insulators and Robust Exchange Coupling;Taishi Chen 等;《ADVANCED MATERIALS》;20150902;第27卷(第33期);第4823-4829页正文部分以及图1-5和表1 * |
| Low-temperature ferromagnetic properties of the diluted magnetic semiconductor Sb2−xCrxTe3;J. S. Dyck 等;《PHYSICAL REVIEW B》;20050331;第71卷(第11期);第115214-1至115214-6页的第1-4节以及图1-6 * |
| Magnetic properties of Mn-doped Bi2Te3 and Sb2Te3;Jeongyong Choi 等;《PHYSICA STATUS SOLIDI B-BASIC SOLID STATE PHYSICS》;20040630;第241卷(第7期);第1541-1544页的第1-4节以及图1-3 * |
| Topological Insulating in GeTe/Sb2Te3 Phase-Change Superlattice;Baisheng Sa;《Physical Review Letters》;20120831;第109卷(第9期);第096802-1至096802-5页正文部分 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN111952362B (zh) | 2022-03-11 |
| CN111952362A (zh) | 2020-11-17 |
| CN108091691B (zh) | 2020-11-17 |
| CN108091691A (zh) | 2018-05-29 |
| CN111952363A (zh) | 2020-11-17 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN111952363B (zh) | 能实现拓扑绝缘体表面态调控的超晶格[GeTe/Sb2Te3]n材料 | |
| Devakul et al. | Magic in twisted transition metal dichalcogenide bilayers | |
| Xu et al. | Enhanced thermoelectric performance and anomalous Seebeck effects in topological insulators | |
| Kuneš | Excitonic condensation in systems of strongly correlated electrons | |
| Kim et al. | Topological quantum phase transition in 5 d transition metal oxide Na 2 IrO 3 | |
| Baidya et al. | Tunable magnetic topological insulating phases in monolayer CrI 3 | |
| Seike et al. | Self-organized nanostructures and high blocking temperatures in MgO-based d0 ferromagnets | |
| Deng et al. | Two-dimensional bipolar ferromagnetic semiconductors from layered antiferromagnets | |
| Jiao et al. | Room temperature ferromagnetism and antiferromagnetism in two-dimensional iron arsenides | |
| Ren et al. | Two-dimensional M Si 2 N 4 monolayers and van der Waals heterostructures: Promising spintronic properties and band alignments | |
| Yang et al. | Gate voltage controlled thermoelectric figure of merit in three-dimensional topological insulator nanowires | |
| JP6466564B2 (ja) | マルチフェロイック素子の初期化方法 | |
| Yu et al. | Ferromagnetism with in-plane magnetization, Dirac spin-gapless semiconducting properties, and tunable topological states in two-dimensional rare-earth metal dinitrides | |
| Sei et al. | 2D Electronic Transport with Strong Spin–Orbit Coupling in Bi2–Square Net of Y2O2Bi Thin Film Grown by Multilayer Solid-Phase Epitaxy | |
| Hao et al. | The atlas of ferroicity in two-dimensional MGeX 3 family: Room-temperature ferromagnetic half metals and unexpected ferroelectricity and ferroelasticity | |
| WO2019064972A1 (ja) | 熱電変換素子 | |
| Wang et al. | Stacking order and Coulomb correlation effect in the layered charge density wave phase of 1 T-Nb S 2 | |
| Liu et al. | High-temperature ferromagnetism and half-metallicity in hole-doped Janus OM 2 S (M= Ga, In, and Tl) monolayers | |
| Sengupta | First principles design of 2 dimensional Nickel dichalcogenide Janus materials NiXY (X, Y= S, Se, Te) | |
| JP6161147B2 (ja) | ペロブスカイト構造を利用した電場調整可能なトポロジカル絶縁体 | |
| You et al. | Structural reconstruction and anisotropic conductance in 4f-ferromagnetic monolayer | |
| CN105405968A (zh) | 一种调整半金属磁体电子能带结构的方法及其产物 | |
| Zhang et al. | Predicting ultrafast Dirac transport channel at the one-dimensional interface of the two-dimensional coplanar ZnO/Mo S 2 heterostructure | |
| Liu et al. | First-principle study on electronic structure and magnetism in doped MgO materials | |
| Deng et al. | Atomic-ordering-induced quantum phase transition between topological crystalline insulator and Z2 topological insulator |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |