磁性原子掺杂的超晶格材料[GeTe/Sb制造技术

本发明专利技术公开了一种磁性原子掺杂的超晶格材料[GeTe/Sb

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术属于拓扑绝缘材料
，更具体地，涉及一种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，该构建方法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。
技术介绍
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。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术的目的在于提供一种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，其中对不同的掺杂元素引入初始超晶格材料的方案进行构建，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，按照本专利技术的一个方面，提供了一种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，包括如下步骤：第一步，建立超晶格材料[GeTe/Sb2Te3]n表面结构；第二步，选择表面结构进行磁性原子掺杂，建立磁性原子掺杂的超晶格材料[GeTe/Sb2Te3]n表面模型；第三步，对磁性原子掺杂的超晶格材料[GeTe/Sb2Te3]n模型进行结构优化及静态自洽计算；第四步，计算得到磁性原子掺杂后的表面能带图及未掺杂时的纯净超晶格材料表面能带图；第五步，对比分析得到磁性原子掺杂后超晶格材料GeTe/Sb2Te3表面能带结构的变化，确定磁性原子掺杂对材料拓扑绝缘性能的影响。作为本专利技术的进一步优选，所述第一步具体为：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。作为本专利技术的进一步优选，所述第二步具体为：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，得到掺杂后的超晶格材料[GeTe/Sb2Te3]n表面模型。作为本专利技术的进一步优选，所述第三步具体为：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，范德瓦尔斯分子作用力采用DFT-D2方法进行校正，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。作为本专利技术的进一步优选，掺杂后的超晶格材料[GeTe/Sb2Te3]n表面模型中所述磁性原子个数的掺杂比例小于15％。作为本专利技术的进一步优选，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：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。作为本专利技术的进一步优选，所述磁性原子在超晶格结构中的掺杂方式，为替位掺杂和/或间隙掺杂。作为本专利技术的进一步优选，所述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，或是在两种子层内同时掺杂所述磁性原子。作为本专利技术的进一步优选，所述磁性原子包括锰Mn、铁Fe、铬Cr、镍Ni、以及稀土元素中的至少一种。作为本专利技术的进一步优选，所述稀土元素包括钐Sm、钕Nd、钆Gd、以及铒Er中的一种或多种。通过本专利技术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。本专利技术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，而本专利技术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。通过本专利技术的构建方法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。本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种磁性原子掺杂的超晶格材料[GeTe/Sb

【技术特征摘要】
1.一种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，其特征在于，包括如下步骤：
第一步，建立超晶格材料[GeTe/Sb2Te3]n表面结构；
第二步，选择表面结构进行磁性原子掺杂，建立磁性原子掺杂的超晶格材料[GeTe/Sb2Te3]n表面模型；
第三步，对磁性原子掺杂的超晶格材料[GeTe/Sb2Te3]n模型进行结构优化及静态自洽计算；
第四步，计算得到磁性原子掺杂后的表面能带图及未掺杂时的纯净超晶格材料表面能带图；
第五步，对比分析得到磁性原子掺杂后超晶格材料GeTe/Sb2Te3表面能带结构的变化，确定磁性原子掺杂对材料拓扑绝缘性能的影响。


2.根据权利要求1所述的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，其特征在于，所述第一步具体为：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。


3.根据权利要求1所述的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，其特征在于，所述第二步具体为：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，得到掺杂后的超晶格材料[GeTe/Sb2Te3]n表面模型。


4.根据权利要求1所述的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，其特征在于，所述第三步具体为：设定平面波截断能为500eV，对离子实和价电子相互...

【专利技术属性】
技术研发人员：程晓敏，夏泽瑛，张瑾，冯金龙，童浩，缪向水，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42