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FAPEMIG - Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas Gerais Neste trabalho, estudamos os efeitos nas propriedades eletrônicas e topológicas causados por defeitos pontuais em um isolante topológico bidimensional (bismuteno). Esta pesquisa se baseia em cálculos de primeiros princípios utilizando a teoria do funcional da densidade (DFT) com a aproximação do gradiente generalizado (GGA), e a correção de Hubbard em uma das estruturas dopadas. No bismuteno, foi investigado os efeitos causados pela substituição de um átomo de bismuto por: um átomo de estanho (Sn), um átomo de telúrio (Te) e um átomo de vanádio, dopagens tipo p, tipo n e magnética respectivamente, com 5.5% de defeitos em cada sistema. Em todos os cenários, a simetria de inversão foi quebrada, de modo que para calcular os invariantes topológicos utilizou-se os centros de carga de Wannier (WCC). Em todos os sistemas foi verificado que as fases topológicas foram mantidas. Para identificar o comportamento dos estados de borda, contruímos uma nanofita com a impureza localizada próximo a uma das bordas. Para os defeitos não-magnéticos (Sn e Te), os estados devido a impureza interagem com os estados metálicos deslocando os pontos de Dirac para valores diferentes de energia em comparação a borda não dopada. A magnetização do V, que é perpendicular ao plano da célula, leva a uma abertura de gap nos pontos de Dirac nas duas diferentes estudadas neste trabalho, o V próximo e distante a uma das bordas. Também foi analisado a textura de spin dos canais condutores e a componente se mostrou dominante em todos o casos, mas com algumas peculiaridades para o V próximo a uma das bordas. In this work, we have studied the effects of point defects on the electronic and topological properties of a two-dimensional topological insulator (bismuthene). This research is based on first principles calculations using the Density Functional Theory (DFT) with a Generalized Gradient Approximation (GGA), and the Hubbard correction in one of the doped structure. In bismuthene, we investigated the effects caused by substitution of a single Bismuth atom by: a Tin atom (Sn), a Tellurium atom (Te) and a Vanadium (V) atom, p-type, n-type and magnetic doping respectively, 5.5% of defect for each system. In all scenarios the inversion symmetry was broken, so to calculate the topological invariant it was used Wannier Charge Centers (WCC). For all the systems we verified that topological phase is maintained. To identify the edge states behavior, we construct a nanoribbon with the impurity near to one of the edges. For non-magnetic (Sn and Te) defects, the states from impurities interacts with the metalic states and moves the Dirac point to different energy values in comparasion with the undoped edge. The magnetization of V, which is out-of-plane, leads a band-gap opening at the Dirac cones in two different configuration studied in this work, V near and far away to the edge. We also analyzed the spin texture of conduction channels and the component showed to be dominant in all cases, but with some peculiar caracteristics when V is near to an edge. Dissertação (Mestrado)

Este trabalho consiste em uma análise profunda via ab initio de superfícies Bi/Si(111) a fim de caracterizar magnetismo, bandas e propriedades topologicas. Inicialmente, fizemos uma revisao detalhada das bases teóricas para caracterizacao de sistemas topologicos e da Teoria do Funcional da Densidade (DFT). Vale ressaltar que na revisao dos metodos de caracterizacao de isolantes topologicos, partimos dos conceitos fundamentais apresentados por M.V Berry indo ate os metodos das funcoes de Wannier e da paridade. Com tais ferramentas em maos, iniciamos nossos estudos com calculos ab initio da bica- mada de Bi caracterizado-a topologicamente via paridade, assim verificamos que as propriedades topologicas da folha se dao em razao de paridade em ponto M e nao do ponto r, conforme previsto na literatura. Tambem realizamos a evolucao dos Centro de Carga de Wannier para a bicamada no intuito de comparar os resultados entre os metodos. O segundo passo consistiu no estudo de establitade de adsorçao de Bi em superfície Si( 111) V3 x V3 incluindo o efeito spin orbita, confirmamos assim, que a estrutura Milkstool e a estrutura mais estavel como previsto no calculo sem acoplamento SO e mais do que isso, o Spin-Orbita aumenta a diferenca de energia entre as estruturas concorrentes a Milkstool. Posteriormente, realizamos o calculo de bandas via DFT mostrando que SO acoplamento e pouco relevante no calculo de estrutura de bandas Milkstool. Por fim, trabalhamos em diferentes estruturas de Si-(111) e concluímos que as camadas Bi tem forte interacao com as camadas Si fazendo aparecer estados metalicos no nível de Fermi. This work consists on a deep analysis through ab initio of Bi/Si(111) surfaces in order to characterize magnetism, band and topological properties. Initially, we did a detailed review of the theoretical bases for characterization of topological systems and the Densty Functional Theory (DFT). It’s worth mentioning that in the review of the topological insulation characterization methods, we start from the fundamental concepts presented by M.V Berry going to the methods the Wannier functions and parity. With such tools in hand, we began our studies with ab initio calculations of the bilayer of Bi, characterizing it topologically through parity, thus we verify that the topological properties of the sheet are given by it’s parity in point M and not point r, as proposed in bibliography. We also perform the evolution of the Wannier Charge Centers for the bilayer with the intention of comparing the results between methods. The second step consists on the study of the stability of Bi’s adsorption in Si(111)y/3 x v^3 including the spin orbit coupling, thus confirming that the Milkstool Structure is the most stable structure as predicted by the calculation without SO coupling and more than that, the Spin-Orbit increases the energy difference between Milkstool and concurrent structures. Later on, we perfom band structure calculations through DFT, showing that SO coupling is little relevant in Milktool band structures calculations. Finally, we work on different Si-(111) structures and conclude that Bi layers do have strong interaction with the Si layers, displaying metallic states of Fermi level. Dissertação (Mestrado)