新颖二维有机拓扑材料的结构预测与电子特性研究

Study of two-dimensional (2D) topological insulators (TIs), also known as quantum spin Hall (QSH) insulators, is currently one of the fastest growing research areas. While these novel materials are insulators in the bulk, their edges harbor spin-polarized gapless states with Dirac-cone-like linear energy dispersions. These unique properties make topological insulator materials well-suited for the development of spintronics and quantum computing. Recently, 2D organic topological insulators (OTIs) have been predicted in metal-organic framework which has the advantages of low cost, easy fabrications, and mechanical flexibility; and thus, attracting many theorists. In this application, using first-principles calculation, prediction of atomic structures of novel 2D OTIs and the investigations of the electronic properties will be done. Moreover, quantum anomalous Hall effect could be induced by magnetic atom doping or by intrinsic magnetism in 2D OTIs. In addition, we will study the changes of physical properties by utilizing the adsorption of atoms or molecules on 2D OTIs or substrate effect. The main goal is finding a 2D OTIs with large gap favoring the experimental realization and practical application.

二维拓扑绝缘体，又称量子自旋霍尔绝缘体，的研究是目前快速成长的研究领域之一。这类新颖材料在块体时为绝缘体，然而其边界拥有类似狄拉克锥状的线性能量分布的自旋极化无能隙态。这些独特性质使得拓扑材料非常适合在自旋元件，量子计算的发展上。最近，二维有机拓扑绝缘体在有着低成本，易制造和机械可延展性等优点的有机金属骨架材料中被预测出，并且因此吸引着许多理论研究者。在本项目中，利用第一性原理进行新颖二维有机拓扑绝缘体的结构预测以及电子特性研究。此外，在二维有机拓扑材料中，可藉由磁性原子参杂或本征磁性来导致量子反常霍尔效应。另外，利用原子或分子吸附于二维拓扑材料或者衬底效应，讨论材料在物理性质的改变。主要目标希望找出具有大能隙的二维有机拓扑材料，以利实验实现与实际应用。

由于优异的电子特性，今日二维拓扑绝缘体或者量子自旋霍尔绝缘体持续作为高度广受欢迎的材料之一。材料内部是绝缘体性质，但是边界上具有传导性且是自旋化的。这受拓扑性保护的无带隙边界态可以有效地对抗杂质，使其变成自旋元件应用上的候选材料之一。. 本项目利用第一性原理搜索并研究新颖二维拓扑材料。主要研究成果分为两个部份，金属有机框架以及表面合金。在金属有机框架下，我们首先有系统地研究由金属(IIIA族, IVA族, VA族, VIA族, IB族和铂)与对苯二腈所建构的材料。金-对苯二腈被确认为二维本质有机拓扑绝缘体。此外，利用利用空穴参杂会形成平坦的陈能带并导致量子反常霍尔效应。其次，我们利用表面自组装方案在金(111)表面上合成单层的二维金属有机框架，镍-HITP并进一步研究其受衬底影响的电子特性。最后，我们示范了一维反铁弹性自旋链的集体自旋操作。另一方面，在表面合金系统上，结合扫描穿隧显微镜量测与第一性原理计算，我们研究了√7 相的铋化铟在硅表面的原子与电子结构。我们发现这合金表面是拓扑非平庸态。此外，我们也研究了特殊的2x2相铋化铟在硅表面。这些成果将会提供自旋元件应用的发展。本项目共发表5篇SIC论文，其中，ACS Nano 一篇、Nanoscale 一篇、Phys. Rev. B 一篇和 Appl. Phys. Lett. 一篇。