Theoretical study of disorder and proximity effects in three-dimensional models of topological insulators

Aquest doctorat. El projecte cobreix les investigacions sobre aïllants topològics (TI) de la família Bi2Se3 amb diferents defectes i l'estudi d'efectes de proximitat de TI a la heteroestructura de grafè amb TI. La primera part d'aquest projecte se centra principalment en l'efecte del desordre en les propietats electròniques de TI amb gruix ultrafí ( 3 nm). S'ha trobat que la manca de coincidència de rotació entre capes quíntuples de TI pot augmentar el "gap" de volum dels TI però preservar la textura d'espín tipus Rashba en l'estat de la superfície; mentre que la hidrogenació en una superfície de TI pot ajudar a reduir l'efecte túnel quàntic i tancar el "gap" de superfície en el punt Γ amb la textura d'espín tipus Rashba per a la pel·lícula TI ultrafina. A més, aquest esquema també pot crear un altre punt Dirac (DP) en el punt M amb textura de spin tipus Dresselhaus. La segona part del projecte investiga els efectes de proximitat de TI dins de la heteroestructura de grafè / TI i el DP en el grafè es plega des del punt K / K 'a Γ punt de la zona Brillouin, a causa del plegament de la banda, trobant que l'alineació entre el substrat de TI i el grafè té un paper clau en la formació de l'estructura de la banda i la textura d'espín del grafè. La configuració d'apilament "hollow" podria induir la distorsió d'unió de Kekulé a la capa de grafè, donant com a resultat l'engrandiment del "gap" (3.2 meV) i el Rashba SOC, el que dóna com a resultat la precessió d'espín propera al Γ punt . A més, aquesta textura atípica de Rashba espín fa que la component d'espín fora del pla disminueixi gradualment a mesura que el punt k s'allunya del punt Γ, el que porta a la anisotropia de gir a la capa de grafè. D'altra banda, la configuració d'apilament "bridge" o "top" podria portar l'evident divisió de la banda en direcció lateral, que podria ser l'origen de l'efecte Edelstein en la capa de grafè; no obstant, no hi ha una anisotropia d'espín evident en aquesta configuració. Totes les prime
Este doctorado. El proyecto cubre las investigaciones sobre aislantes topológicos (TI) de la familia Bi2Se3 con diferentes defectos y el estudio de efectos de proximidad de TI en la heteroestructura de grafeno con TI. La primera parte de este proyecto se centra principalmente en el efecto del desorden en las propiedades electrónicas de TI con espesor ultrafino ( 3 nm). Se ha encontrado que la falta de coincidencia de rotación entre capas quíntuples de TI puede aumentar el "gap" de volumen de los TI pero preservar la textura de espín tipo Rashba en el estado de la superficie; mientras que la hidrogenación en una superficie de TI puede ayudar a reducir el efecto túnel cuántico y cerrar el "gap" de los estados de superficie en el punto Γ con la textura de espín tipo Rashba para la película TI ultrafina. Además, este esquema también puede crear otro punto Dirac (DP) en el punto M con textura de espín tipo Dresselhaus. La segunda parte del proyecto investiga los efectos de proximidad de TI dentro de la heteroestructura de grafeno/TI y el DP en el grafeno se pliega desde el punto K / K' a Γ punto en la zona Brillouin, debido al plegamiento de la banda, encontrando que la alineación entre el sustrato de TI y el grafeno desempeña un papel clave en la formación de la estructura de la banda y la textura de espín del grafeno. La configuración de apilamiento "hollow" podría inducir la distorsión de unión de Kekulé a la capa de grafeno, dando como resultado el agrandamiento del "gap" (3.2 meV) y el Rashba SOC, lo que da como resultado la precesión de espín cercana al Γ punto. Además, esta textura atípica de Rashba espín hace que la componente de espín fuera del plano disminuya gradualmente a medida que el punto k se aleja del punto Γ, lo que lleva a la anisotropía de giro en la capa de grafeno. Por otro lado, la configuración de apilamiento "bridge" o "top" podría traer la evidente división de la banda en dirección lateral, que podría ser el origen del efecto Edelstein en la cap
This PhD. project covers the researches on the Bi2Se3-family topological insulators (TIs) with different defects and the study of the proximity effects of TI in the heterostructure of graphene with TI. The first part of this project mainly focuses on the effect of disorder on the electronic properties of TI with ultrathin thickness ( 3 nm). It was found that rotation mismatch between quintuple of TI can enlarge the bulk gap of TI but preserve the Rashba type spin texture on the surface state; while, the hydrogenation on one TI surface can help reduce the quantum tunneling effect and close the surface gap at Γ point with Rashba type spin texture for ultrathin TI film. Furthermore, this scheme can also create another Dirac point (DP) at M point with Dresselhaus type spin texture. The second part of the project investigates in the proximity effects of TI within the heterostructure of graphene/TI and the DP on graphene is folded from K/K' point to Γ point in Brillouin zone, due to the band folding, and it was found that the alignment between TI substrate and graphene played the key role in forming the band structure and the spin texture of graphene. Hollow configuration could induce the Kekulé bonding distortion to graphene layer, mainly resulting in the enlarged gap (3.2 meV), and the Rashba SOC, resulting in the spin precession close to the Γ point. Furthermore, this atypcial Rashba spin texture has the out-of-plane spin component decrease gradually as the k point moves away from the Γ point, leading to the spin anisotropy on graphene layer. While, the bridge or the top configuration could bring the evident band splitting in lateral direction, which could be the origin of the Edelstein effect in graphene layer; however, there is no evident spin anisotropy in such configuration. All the first two parts were carried out through density functional theory (DFT) calculation and a tight binding (TB) model was built up and fitted to the DFT results in order to provide an ana