非过渡金属杂质、缺陷对拓扑绝缘体材料改性的理论研究

拓扑绝缘体是近年来发现的一种新奇量子物质态，具有独特的性质，在高温自旋电子学和拓扑量子计算等领域有重要的应用前景。近年的研究发现，在常规稀磁半导体中，除过渡金属外，非过渡金属杂质、缺陷也能引起自旋极化并导致室温铁磁序，且有一定优势。而对于拓扑绝缘体材料，过渡金属掺杂对其性质有重要的调制作用，但非过渡金属杂质、缺陷对其性质影响的研究和认识还非常有限。因此，本项目拟借助第一性原理计算结合固体理论等，系统地研究分析非过渡金属杂质、缺陷对不同维度和尺寸的拓扑绝缘体材料性质的影响和作用。阐明非过渡金属杂质及相关缺陷对材料的电子结构、自旋结构及自旋电子学等性质的调控机理和作用规律；揭示杂质、缺陷对拓扑性的影响规律，探索实现新型稀磁拓扑半导体以及反常量子化霍尔效应的可能性。本项目的研究，可以丰富人们对拓扑绝缘体材料性质的理解和认识，为新型低能耗电子器件和自旋电子学器件的设计提供理论依据。

拓扑绝缘体是近年来发现的一种新奇量子物质态，具有独特的性质，在高温自旋电子学和拓扑量子计算等领域有重要的应用前景，引起了凝聚态物理和材料科学等学者的极大兴趣。.本项目开展了从三维到二维相关材料的电子结构、自旋结构及其拓扑相关物理效应和性质机理的系统研究。探讨和揭示了掺杂、复合界面、固溶体组分和表面修饰等途径以及应力和电场等对新型材料相关性质及新物理效应等的作用规律和调控机理。内容包括（1）研究了金属、非金属元素掺杂对三维二元、三元拓扑绝缘体材料量子反常霍尔效应拓扑性、狄拉克费米态等的调控规律。（2）研究了固溶体组分对材料拓扑性的调控规律。（3）研究和揭示了表面修饰对材料电子结构和拓扑性质的影响规律和微观机理。（4）揭示了不同复合材料体系的拓扑性质及其界面间作用规律和微观机理。（5）预测了多种新型二维材料的拓扑性及Rashba等新物理效应。（6）发现和预言了新型二维单层VX2(X = S, Se) 具有本征磁性且应力可调，并在前一国家基金项目（10774091）的基础上提出了新型二维材料的磁性耦合性质是由键传递机制与空间传递机制竞争的作用机理，工作发表在ACS Nano,被Nature Nanotechnolegy 选为研究亮点做了专门报道，并于第二年得到了他人实验的证实。该文章入选ESI高被引论文。本项目的研究丰富了拓扑绝缘体材料的电子自旋结构及其量子现象认识和理解，为实现对材料电子结构和相关性质的调控提供了重要的理论依据，对开发其应用具有重要意义。.期间研究成果分别发表在 ACS Nano, Nano lett, Phys.Rev.B, Appl.Phys.Lett., New J of Phys.,J Phys Chem（Letter,A,C）等多种有重要影响的国际期刊。共发表基金标注相关SCI研究论文63 篇，其中影响因子大于3的50篇,大于5的11 篇（含大于10的2篇）。截止2015年12月31日这些文章的SCI引用次数约620次。多人次参加国内外会议。以大会合作主席组织国际会议1次，作为国际会议分会召集人1次。毕业博士生6人，硕士生4人。其中，2012年全国优秀博士学位论文1篇；2015年山东省优秀博士论文1篇。2013年1博士生获得第八届中国青少年科技创新奖； 2人/次获山东省研究生科技创新一等奖。2012 年获得山东省自然科学二等奖1项。