Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / The observation of the quantum spin Hall effect in the HgTe/CdTe heterostructure triggered
the study of materials exhibiting a spin polarized electronic current at their surfaces/
interfaces. These states are topologically protected against perturbations preserving
time reversal symmetry and presenting a linear dispersion, forming a Dirac cone. However,
non-magnetic perturbations (that preserve time reversal symmetry) will certainly affect
these surface/interface states. In this work we user the density functional theory to
characterize the topologically protected states of the (001) HgTe/CdTe heterostructure.
We observed that for a correct description of the HgTe band structure we use a GGA+U
method. The topological states showed a Rashba-like in-plane spin texture. We analyzed
the effects of external pressures and electric fields in the HgTe/CdTe heterostructures.
We show that these perturbations modify the energetics and dispersion of the protected
states, although not destroying the topological phase. Also, we study defects like antisite,
vacancy and a Fe magnetic impurity at the interface of the (001) HgTe/CdTe heterostructure.
We show that the antisite and the vacancy do not affect the spin polarization nor
the energy dispersion of the protected states. On the other hand, the magnetic impurity
significantly affects the topological states, degrading the spin polarization for the states
close to the magnetic impurity and inducing out-of-plane spin components. Further, we
study the (001) HgTe surface for different thicknesses of the HgTe sample, and with different
terminations (Hg and Te). To the (001) HgTe samples with a thickness of 38 Å ,
the spin polarized states do not show a linear dispersion, however, when the thickness is
increased we observe the formation of spin-polarized surface states with linear dispersion,
characterizing the formation of a Dirac cone. Also, we show that biaxial pressures modify
the energy dispersion of the spin polarized states. Finally, we study materials that turn topological
insulators under external pressures as the anti-perovskite structures Sr3BiN and
Ca3BiN, using the self-consistent GW method. We show that these materials present an
inversion of the Bi-pz and Bi-s band edge states when subjected to biaxial tensile stress.
We conclude that these materials can be characterized Topological Insulators under pressure. / A observação do efeito Spin Hall Quântico na heteroestrutura HgTe/CdTe motivou o estudo
de materiais que exibem uma corrente eletrônica spin-polarizada nas suas interfaces/
superfícies. Estes estados são topologicamente protegidos frente a perturbações que
preservam a simetria de reversão temporal e apresentam uma dispersão linear formando
um Cone de Dirac. Entretanto, perturbações não-magnéticas (que preservam a reversão
temporal) irão certamente afetar estes estados de interface/superfície. Neste trabalho,
usamos a Teoria do Funcional da Densidade (DFT), para caracterizar os estados topologicamente
protegidos da heteroestrutura HgTe/CdTe (001), que é um Isolante Topológico
(IT) 2D. Para uma descrição mais correta das posições dos níveis na estrutura de bandas
do HgTe, nós usamos o método GGA+U. Na heteroestrutura, a caracterização dos estados
topologicamente protegidos mostrou uma textura de spin no plano da interface, do tipo
Rashba. Analisamos os efeitos de perturbações externas na heteroestrutura HgTe/CdTe
(001), como pressões e campo elétrico. Mostramos que ambas perturbações modificam a
energia do ponto de cruzamento e a dispersão dos estados protegidos, mas não destroem
a fase topológica. Estudamos também a presença de defeitos na interface HgTe/CdTe
(001), como um anti-sítio, uma vacância e uma impureza magnética de Fe. A presença
de um anti-sítio e de uma vacância não afetam a polarização de spin dos estados protegidos
e nem sua dispersão. Por outro lado, a presença de uma impureza magnética
afeta significantemente estes estados, degradando a polarização de spin para os estados
próximos a impureza magnética e fazendo que o sistema apresente componentes de spin
fora do plano da interface/superfície. Além disso, estudamos a superfície de HgTe com
diferentes espessuras (38, 64, e 129 Å ) e terminações (Hg e Te). Para as estruturas
com uma espessura de 38 Å , os estados com polarização de spin não apresentam uma
dispersão linear, entretanto, quando aumentamos a espessura do material, observamos
a formação dos estados de superfície com uma dispersão linear e polarização de spin,
caracterizando a formação do cone de Dirac. Mostramos também, que pressões biaxiais
modificam a dispersão dos estados com polarização de spin. Realizamos um estudo de
materiais que são Isolantes Topológicos quando submetidos a pressões externas. Neste
caso estudamos as estruturas antiperovsquitas Sr3BiN e Ca3BiN, usando método GW
auto-consistente. Mostramos que esses materiais apresentam uma inversão dos níveis
de energia Bi-pz e Bi-s quando sujeitos a pressão externa biaxial distensiva. Concluímos
que estes materiais podem ser caracterizados como Isolantes Topológicos sob pressão.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:repositorio.ufsm.br:1/3927 |
| Date | 15 December 2014 |
| Creators | Anversa, Jonas |
| Contributors | Piquini, Paulo Cesar, Fazzio, Adalberto, Baierle, Rogério José, Dalpian, Gustavo Martini, Dorneles, Lucio Strazzabosco |
| Publisher | Universidade Federal de Santa Maria, Programa de Pós-Graduação em Física, UFSM, BR, Física |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Source | reponame:Repositório Institucional da UFSM, instname:Universidade Federal de Santa Maria, instacron:UFSM |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | 100500000006, 400, 300, 300, 300, 300, 300, 300, fd6922d3-ec6f-44ef-947e-a60a90ff9691, ed5e0177-78e0-4ffd-80e5-5b56d11602bf, 8fbc81d9-1194-4d69-8fe3-a8aa9d9d235f, 669a6707-ad7d-41fd-9fd8-f6d5bc15f7f3, 1e962d8f-ae08-485e-b135-6e247b3a3459, ee79854a-d4d5-4cee-89f7-0b7147c57496 |
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