二维铋基材料中铁电性和拓扑绝缘体的共存与耦合研究

Topological insulators have topologically protected surface states with a high carrier mobility. Ferroelectric materials have spontaneous polarization which helps to separate and transfer the photo-generated carriers. Ferroelectric topological insulators (FETIs), which allows for the simultaneous presence of ferroelectric and topological orders, take the advantage of synergistic effect and holds great promise in the application of novel electric-field controlled spintronic devices and optoelectronic devices with high sensitivity and high quantum conversion coefficient. The number of identified FETIs is still small and there are few studies on the physical properties of FETIs up to date. Therefore, this project will investigate structural stability, ferroelectric, topological and transport properties of two-dimensional (2D) Bi-based materials in orthogonal phase and hexagonal buckled phase by first-principles calculations. The project is to identify the key factor for the coexistence of ferroelectricity and topological insulator by analyzing the laws and principles of the modulation of physical properties by the layer number, stacking pattern, external strain fields, and electric fields. Furthermore, the project will explore the thermal transport properties as well as the modulation effect by external strain fields. This project will provide the ideas and theoretical support for the searching and designing the practical novel FETIs which is feasible to be realized in the experiment.

拓扑绝缘体材料具有受拓扑保护的表面态且载流子的迁移率很高。铁电材料具有自发的电极化，有利于光生载流子的分离和传输。将铁电性和拓扑绝缘体两种量子态整合到一种材料中可以形成铁电拓扑绝缘体材料，能够发挥两者的协同作用，并用于开发新型的电场可控的自旋电子学器件和高灵敏度、高量子效率的光电器件。目前发现的铁电拓扑绝缘体系统的数目比较稀少，关于其物理性质的研究比较匮乏。本项目拟用第一性原理方法研究具有正交结构和六角起伏结构的二维铋基化合物的晶格稳定性、铁电性质、拓扑性质和输运性质。通过分析揭示材料厚度，层间堆积方式，外加应变场和电场等条件对二维铋基化合物物性调控的规律和原理，掌握实现铁电性与拓扑绝缘体共存的关键因素。最后研究含铋铁电拓扑绝缘体材料的热输运性质，并考虑应变对其热输运性质的调控作用。本项目将为寻找和设计在实验上可行的新型二维铁电拓扑绝缘体材料提供思路和理论依据。

以石墨烯为代表的二维材料具有独特的物理和化学性质，在纳米电子学和自旋电子学器件中有广泛的应用前景。要实现这些应用，需要对二维材料的的多铁性质，拓扑性质和输运性质进行深入研究，特别是寻找具有多种性质共存的二维材料，然而相关的理论研究尚不完善。本项目利用第一性原理计算，研究了二维多铁材料、二维拓扑材料以及二维材料的热输运性质。在二维多铁材料方面，我们发现四族元素掺杂可以在二维三五族材料中引入磁矩和铁电性；钒基两面神结构具有在室温以上稳定的铁磁性，铁弹性和拓扑自旋涡旋结构。在电子拓扑性质方面，我们研究了一些锆硫族化合物的电子拓扑性质，发现一系列具有大带隙的拓扑绝缘体和费米面干净的拓扑半金属材料。由于搜索材料的广度不够，还未发现多铁性质和拓扑性质在同一种二维材料中共存。在热输运性质方面，我们研究了二维三主族金属硫化物的热导率，分析了元素种类、应变、结构对称性对二维材料热导率的调制效应。本项目执行期间，已经公开发表SCI论文12篇，1篇工作刚被接收，另外还有1篇工作在整理投稿中，预计2023年发表。本项目的研究加深了人们对二维材料的多铁性质、拓扑性质和热输运性质的理解，为未来寻找多铁和拓扑性质共存的二维材料提供了理论基础。