In this thesis we investigate quantum transport properties of topological insulator (TI) Bi2 Se3 from atomistic point of view. TI is a material having an energy gap in its bulk but supporting gapless helical states on its boundary. The helical states have Dirac-like linear energy dispersion continuously crossing the bulk band gap with a spin texture in which the electron spin is locked perpendicular to the electron momentum. The peculiar electronic structure of TI material Bi2 Se3 is due to a strong spin-orbit interaction and is protected by the time reversal symmetry. The thesis consists of two main parts. The first reviews the theory of TI and the second presents our atomistic calculations of electron transport in the Bi2 Se3 material. In the theoretical review of the physics of TI, I follow the literature and attempt to present it in a reasonably accessible manner. The theory of TI is explained in terms of well known physical phenomena including classical and quantum Hall effects, spin-orbit coupling, spin current, and spin-Hall effect. The concept of Berry's phase is then introduced to link with the formal conventionalclassification of TI by the topological Z2 invariants. The entire discussion is within the well known Bloch band theory. In the second part of this thesis, numerical studies of transport properties of Bi2 Se3 are presented. After a brief discussion of the relevant quantum transport theory and the tight binding atomistic model, we present our calculated quantum transport results of Bi2 Se3 films having a trench in the middle. Such a large defect, if on normal conductors, would cause significant back scattering of the carriers. Here, by topological protection of the helical states, back scattering is forbidden due to the spin-momentum locking. Nevertheless, large trenches in the film may cause the helical states on the surface to mix inside the trench, thereby affecting the transmission. / Dans cette thèse, nous étudions le transport quantique dans l'isolant topologique (TI) Bi2Se3 à partir d'un modèle d'échelle atomique. Un TI est un matériau ayant une structure de bande de type isolant bien qu'on y retrouve des états hélicodaux en surface. Ces états hélicoı̈daux ont une relation de dispersion linéaire, dite dispersion de Dirac, qui traverse la bande interdite du cristal. Ces électrons voyageant selon les relations de Dirac sont contraints à se mouvoir perpendiculairement à leur spin. La structure électronique particulière de l'isolant topologique Bi2Se3 est due à une forte interaction spin-orbite et est protégée par une symétrie par renversement du temps. Cette thse comporte deux grands segments. Dans un premier temps, nous présentons une synthèse de la théorie générale des isolants topologiques. Nous présentons ensuite les résultats de nossimulation de transport quantique dans le matériau Bi2Se3. Dans notre résumé de la théorie des TI, nous présentons une revue de littérature et décrivons conceptuellement, dans la mesure du possible, le comportement des TI de sorte à rendre notre texte intelligible au non-expert. La théorie des TI est expliquée à artir de phénomènes classiques et quantiques connus tels que l'effet Hall, l'interaction spin-orbite, le courant de spin, l'effet Hall de spin, etc. Le concept de la phase de Berry est ensuite introduit pour faire le pont avec la classification traditionnelle des TI, laquelle se base sur les invariants topologiques de Z2. Le tout est présenté avec la théorie des bandes en filigrane. Dans le second segment de cette thése, nous étudions les propriétés physiques du Bi2Se3 à partir de simulations numériques. Après une brève discussion de certains éléments pertinents empruntés de la théorie du transport quantique et du modèle des liens étroits d'échelle atomique, nous présentons les résultats d'une simulation dans laquelle des électrons voyagent à travers un film de Bi2Se3 ayant une dépression en son milieu. Un tel défaut provoquerait une forte diffusion des porteurs de charge dans un conducteur standard. Dans le cas qui nous concerne, la diffusion des états hélicoı̈daux est endiguée par la contrainte qui force ces états à voyager perpendiculairement à leur spin. Néanmoins, de larges dépressions dans le film peuvent provoquer le mélange des états hélicoı̈daux de surface et des états localisés à l'intérieur du cristal, ce qui affecte le transport des porteurs de charge.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.114415 |
| Date | January 2013 |
| Creators | Nemytov, Vadim |
| Contributors | Hong Guo (Internal/Supervisor) |
| Publisher | McGill University |
| Source Sets | Library and Archives Canada ETDs Repository / Centre d'archives des thèses électroniques de Bibliothèque et Archives Canada |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation |
| Format | application/pdf |
| Coverage | Master of Science (Department of Physics) |
| Rights | All items in eScholarship@McGill are protected by copyright with all rights reserved unless otherwise indicated. |
| Relation | Electronically-submitted theses. |
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