TaAs의 표면전자구조의 제일원리계산

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서울대학교 대학원
비소화탄탈륨TaAs표면전자구조surface electronic structure제일원리계산first-principles calculation
학위논문(석사)--서울대학교 대학원 :자연과학대학 물리·천문학부(물리학전공),2019. 8. 박철환.
바일 준금속은 페르미 에너지 근처에 바일 점들이 존재하는 물질이다. 3차원 바일 준금속 내의 전자의 양자 상태는 3차원 그래핀과 위상 절연체 모두와 닮아있어 비정상적인 수송 성질들을 가지고 있기 때문에 중요성이 대두되고 있다. 수 년 전 공간적 중심대칭이 아닌 화합물인 TaAs를 비롯한 NbP, NbAs, TaP에서 위상적 바일 준금속 구조가 예견되었고, 얼마 되지 않아 이를 증명하기 위해 페르미 호와 같은 바일 준금속의 특징을 확인하는 실험적 검증이 뒤따랐다. 많은 연구자들이 실험 결과를 뒷받침하는 제일원리계산을 수행하였지만, 본 논문에서는 아직은 실험적으로 실현되지 않은 얇은 TaAs 판의 두께에 따른 전자구조 변화를 밀도범함수 이론(density funtional theory 또는 DFT)을 기반으로 한 제일원리계산을 통해 알아보았다.

먼저, 이미 알려진 원자 구조와 격자 길이를 이용하여 8개의 층으로 이루어진 덩어리 단위 세포를 기준으로 다양한 층 수의 얇은 판을 구성하였고, 각각에 대해 전자구조계산을 진행하였다. 얇은 판의 경우 표면에서 원자간 거리는 덩어리 상태와 다르기 때문에, 판과 평행한 방향의 격자 길이와 표면에서 층간의 거리를 바꾸어가며 총 에너지 계산을 수행하여 안정화된 구조를 구하고 이에 대해서도 전자구조계산을 진행하였다.

결과로 나온 전자구조는 전자 띠 구조, 2차원 페르미 표면 그리고 2차원 스핀 텍스처를 통해 표현하였다. 안정화 작업 중 판에 수직인 방향이 판과 평행한 방향보다 계산 결과로 얻어진 전자 구조의 변화에 큰 영향을 미침을 확인하였고, 8개의 층으로 이루어진 덩어리 단위 세포를 나누어 더 적은 층으로 이루어진 판에 대해 계산을 할 경우 적어도 하나의 단위 세포를 갖춘 경우와 전자구조가 완전히 달라짐도 관찰할 수 있었다.
Weyl semimetals are a new class of materials whose low-energy electronic excitations are described by the Weyl equation. Similar to the cases of Dirac fermions in graphene or the surface of topological insulators, Weyl fermions in a Weyl semimetal are the most robust electrons which only depend on the tranlsation symmetries of the crystal lattice. With rising attention to the theoretical discovery of the topological Weyl structure in noncentrosymmetric transition-metal monophosphides TaP, TaAs, NbP and NbAs, experiments have succesfully examined the properties of these Weyl semimetals. In this research, electronic structure of thin slabs of TaAs - which are not experimentally realized at present- were studied using first-principles calculation exploiting density functional theory.

Starting from the lattice constants and the crystal structure of TaAs, by cutting of adding to the unit cell, slabs with various thickness were designed. Then for all the slabs, atomic position was relaxed to reach lowest crystal energy. The startring coordinates and the new coordinates are all used for the electronic structure calculation.

Electronic structure of all the cases were represented through band structure graph, 2D fermi surface and spin textures. Both bulk and surface states are of thin TaAs slabs were analyzed. It is shown that the surface relaxation on the out-of-plane direction of atomic coordinates affect crucially to the electronic structure, due to this material's nature of being highly sensitive near the fermi level. The thickness of slabs with multiples of unit cell height had almost the same surface electronic structure, whereas cutting the unit cell yielded different results.
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