شماره ركورد
26062
شماره راهنما
PHY3 183
عنوان
بررسي اثرات جانشيني اتم ها و ناخالصي ها بر فاز توپولوژي نيم رساناها بر پايه ليتيوم، ايتريوم و اسكانديم
مقطع تحصيلي
دكتري
رشته تحصيلي
فيزيك - فيزيك ماده چگال
دانشكده
فيزيك
تاريخ دفاع
1405/03/27
صفحه شمار
166 ص .
استاد راهنما
زهرا نوربخش , امين الله واعظ
استاد مشاور
داريوش وشايي
كليدواژه فارسي
مواد توپولوژي , شبه فلز ديراك , واروني نوار , برهمكنش اسپين مدار , ويژگيهاي قابل تنظيم با فشار
چكيده فارسي
در اين پژوهش، ويژگيهاي ساختاري، مكانيكي، الكتروني و توپولوژي سه خانواده آلياژي Li₂TlxNa₁₋ₓBi، LiMgSnPdxPt₁₋ₓ و ScxY₁₋ₓNiBi با بهرهگيري از محاسبات مبتني بر نظريه تابع چگالي و در چارچوب تقريب شيب تعميميافته بررسي شده است. براي تعيين فاز پايدار، انرژي كل آلياژها در حجمهاي گوناگون، در حالتهاي مغناطيسي و غيرمغناطيسي و در بود و نبود برهمكنش اسپين–مدار محاسبه و با معادله حالت برچ–مورناگان برازش داده شد. نتايج نشان ميدهد كه همه آلياژها در حالت پايدار غيرمغناطيسي هستند و برهمكنش اسپين–مدار نقشي تعيينكننده در انرژي كل دارد، هرچند اثر آن بر پارامتر شبكه ناچيز است.
تغييرات پارامتر شبكه و مدول حجمي برحسب نسبت تركيبي x بررسي و با چندجملهاي درجه دوم برازش داده شد. نتايج بيانگر آن است كه رفتار اين كميتها بسته به نوع عناصر جانشين ميتواند از خطي تا غيرخطي تغيير كند و مدول حجمي شاخصي حساس براي ارزيابي پايداري مكانيكي و ماهيت پيوندها در اين آلياژها به شمار ميآيد. محاسبه انرژي همدوسي و انرژي تشكيل نشان داد كه براي همه تركيبها اين كميتها منفياند كه بيانگر پايداري ترموديناميكي آلياژهاست.
ويژگيهاي الكتروني از طريق محاسبه چگالي حالتهاي الكتروني، ساختار نواري و ضريب خطي گرماي ويژه الكتروني بررسي شد. نتايج نشان ميدهد كه آلياژ LiMgSnPdxPt₁₋ₓ رفتار رساناي پايدار و كمحساس به تغيير x دارد، در حاليكه آلياژهاي Li₂TlxNa₁₋ₓBi و ScxY₁₋ₓNiBi به تغيير تركيب و فشار حساساند و گذار ميان حالتهاي رسانا و نيمرسانا را نشان ميدهند. بررسي نظم نواري آشكار ساخت كه در آلياژهاي Li₂TlxNa₁₋ₓBi براي x≤0.5 وارونگي نوار رخ ميدهد و فاز توپولوژي بههمراه نقاط ديراك پايدار ظاهر ميشود، در حاليكه براي x≥0.75 نظم نواري معمولي برقرار است.
همچنين نشان داده شد كه فشار هيدرواستاتيك ميتواند بهعنوان پارامتر بيروني، وارونگي نواري، گاف انرژي و فاز توپولوژي را كنترل كند و موقعيت نقطه ديراك را تنظيم نمايد. در مجموع، نتايج اين پژوهش بيانگر قابليت بالاي اين آلياژها، بهويژه Li₂TlxNa₁₋ₓBi، براي مهندسي ويژگيهاي ساختاري، الكتروني و توپولوژي از طريق تركيب شيميايي و فشار است و ميتواند مبنايي براي طراحي مواد پيشرفته در كاربردهاي الكترونيكي و انرژي باشد.
ويژگيهاي اپتيكي آلياژهاي Li₂TlₓNa₁₋ₓBi، LiMgSnPdₓPt₁₋ₓ و ScₓY₁₋ₓNiBi با تمركز بر بخش حقيقي و موهومي تابع ديالكتريك، ضريب بازتاب، رسانندگي اپتيكي و ضريب شكست، براي مقدارهاي مختلف پارامترx بررسي شده است. محاسبهها با بهرهگيري از رهيافت اصلاحشده mBJ و با در نظر گرفتن برهمكنش اسپين–مدار انجام شدهاند تا نقش عناصر سنگين و اثرهاي نسبيتي بهدرستي بازنمايي شود. نتايج نشان ميدهد كه تغيير تركيب شيميايي اثر چشمگيري بر جايگاه و شدت ستيغهاي تابع ديالكتريك دارد و بيانگر حساسيت ساختار نواري اين آلياژها به جايگزيني اتمي است. در آلياژ Li₂TlₓNa₁₋ₓBi، بخش حقيقي تابع ديالكتريك در بيشتر مقدارهاي x در ناحيه نور مرئي مقدار منفي دارد كه نشاندهنده رفتار فلزي يا شبهفلزي و حضور گذارهاي كمانرژي است، در حالي كه در دو آلياژ ديگر پاسخ نوري عمدتاً از گذارهاي بيننواري سرچشمه ميگيرد. بررسي مقدارهاي تابع ديالكتريك استاتيكي و ضريب بازتاب نشان ميدهد كه در Li₂TlₓNa₁₋ₓBi اين كميتها با افزايش x تقريباً بهصورت خطي افزايش مييابند، اما در LiMgSnPdₓPt₁₋ₓ و ScₓY₁₋ₓNiBi رفتاري غيرخطي از خود نشان ميدهند كه به بازآرايي نوارهاي انرژي و تغيير چگالي حالتهاي الكتروني نسبت داده ميشود. همچنين، رسانندگي اپتيكي و ضريب شكست اين آلياژها وابستگي شديدي به تركيب دارند و جابهجايي ستيغهاي آنها امكان تنظيم پاسخ نوري در بازههاي فروسرخ، مرئي و فرابنفش را فراهم ميكند. افزون بر اين، بررسي اثر فشار نشان ميدهد كه افزايش فشار موجب جابهجايي ستيغهاي اپتيكي به سوي انرژيهاي بالاتر ميشود كه ناشي از تغيير در ساختار نواري است. در مجموع، نتايج اين پژوهش نشان ميدهد كه با كنترل تركيب شيميايي و فشار ميتوان ويژگيهاي اپتيكي اين آلياژها را بهصورت هدفمند تنظيم كرد، امري كه آنها را گزينههايي مناسب براي كاربردهاي فوتونيكي، اپتوالكترونيكي و آشكارسازي مادونقرمز ميسازد.
كليدواژه لاتين
Topological materials , Dirac semimetal , Band inversion , Spin-orbit interaction , Pressure-tunable properties
عنوان لاتين
Investigation of atomic succession and impurities effects on the topological phase of Lithium, Yttrium and Scandium based semiconductors
گروه آموزشي
فيزيك ماده چگال
چكيده لاتين
In this study, the structural, mechanical, electronic, and topological properties of three alloy families Li₂TlxNa₁₋ₓBi, LiMgSnPdxPt₁₋ₓ, and ScxY₁₋ₓNiBi are investigated using density functional theory within the generalized gradient approximation. To determine the stable phase, the total energy of the alloys is calculated at different volumes in both magnetic and non-magnetic states, with and without spin–orbit coupling, and fitted using the Birch–Murnaghan equation of state. The results show that all studied alloys are non-magnetic in their stable states. Spin–orbit coupling plays a crucial role in determining the total energy, while its effect on the lattice parameter is found to be negligible.
The compositional dependence of the lattice parameter and bulk modulus is analyzed and fitted using second-order polynomial expressions. The results indicate that these quantities may exhibit either nearly linear or strongly non-linear behavior depending on the nature of the substituting elements, with the bulk modulus serving as a sensitive indicator of mechanical stability and bonding characteristics. Calculations of cohesive and formation energies reveal negative values for all compositions, confirming the thermodynamic stability of the alloys.
Electronic properties are examined through the density of states, band structure, and the electronic linear specific heat coefficient. The LiMgSnPdxPt₁₋ₓ alloys display stable metallic behavior with weak sensitivity to compositional changes, whereas Li₂TlxNa₁₋ₓBi and ScxY₁₋ₓNiBi alloys show strong dependence on composition and pressure, including transitions between semiconducting and metallic states. Band order analysis demonstrates that Li₂TlxNa₁₋ₓBi alloys exhibit band inversion and enter a topological phase for x ≤ 0.5, accompanied by stable Dirac points, while a normal band order is recovered for x ≥ 0.75.
Furthermore, hydrostatic pressure is shown to be an effective external parameter for tuning band inversion, energy gap, and topological phase transitions, as well as controlling the position and stability of Dirac points. Overall, the results highlight the strong potential of these alloys particularly Li₂TlxNa₁₋ₓBi for engineering tunable structural, electronic, and topological properties through compositional design and pressure, providing a solid foundation for future studies and potential applications in advanced electronic and energy-related technologies.
In this study, the optical properties of the Li₂TlₓNa₁₋ₓBi, LiMgSnPdₓPt₁₋ₓ, and ScₓY₁₋ₓNiBi alloy families were investigated with emphasis on the real and imaginary parts of the dielectric function, reflectivity, optical conductivity, and refractive index for various values of the composition parameter x. All calculations were performed using the modified Becke–Johnson (mBJ) approach while explicitly considering spin–orbit coupling, in order to accurately describe the role of heavy elements and relativistic effects in the electronic structure and optical response of these systems. The results show that changes in chemical composition have a pronounced effect on the position and intensity of the dielectric function peaks, indicating a strong sensitivity of the band structure to atomic substitution.
تعداد فصل ها
9
فهرست مطالب pdf
166447
نويسنده