First principle calculations for Topological Insulators: the (Sb, Bi)2 (Se, Te)3 compounds

Abstract

Nos últimos anos, a pesquisa sobre propriedades de isoladores topológicos tem sido um campo muito ativo. Devido às suas propriedades eletrônicas únicas, esses materiais são fortes candidatos para muitas aplicações em spintronics. Esta tese visa investigar as propriedades eletrônicas dos compostos da família (Bi, Sb)_ 2 (Se, Te) _ 3 usando cálculos de primeiros princípios. O efeito de spin-Hall quântico e os isoladores topológicos são discutidos. São aplicadas duas abordagens de DFT ̶ pseudopotential e LAPW. Os cálculos foram realizados utilizando Quantum ESPRESSO e WIEN2k. Foram calculadas algumas propriedades a granel dos materiais (Bi, Sb) _2 (Se, Te) _3. Os estados de superfície calculados para (Bi_2 Se) _3, (Bi_2 T) _3 e (Sb_2 Te) _3. Os resultados confirmaram o comportamento topológico desses materiais. Devido à influência do acoplamento spin-orbital, observaram-se os estados de borda helicoidal. Os resultados também mostraram que a abordagem pseudopotencial é comparável ao LAPW para calcular a estrutura da banda e a densidade dos estados.Nos últimos anos, a pesquisa sobre propriedades de isoladores topológicos tem sido um campo muito ativo. Devido às suas propriedades eletrônicas únicas, esses materiais são fortes candidatos para muitas aplicações em spintronics. Esta tese visa investigar as propriedades eletrônicas dos compostos da família (Bi, Sb) _ 2 (Se, Te) _ 3 usando cálculos de primeiros princípios. O efeito de spin-Hall quântico e os isoladores topológicos são discutidos. São aplicadas duas abordagens de DFT ̶ pseudopotential e LAPW. Os cálculos foram realizados utilizando Quantum ESPRESSO e WIEN2k. Foram calculadas algumas propriedades a granel dos materiais (Bi, Sb) _2 (Se, Te) _3. Os estados de superfície calculados para Bi_2 Se _3, Bi_2 Te _3 e Sb_2 Te _3. Os resultados confirmaram o comportamento topológico desses materiais. Devido à influência do acoplamento spin-orbital, observaram-se os estados de borda helicoidal. Os resultados também mostraram que a abordagem pseudopotencial é comparável ao LAPW para calcular a estrutura da banda e a densidade dos estados.

In recent years, the research on properties of topological insulators has been a very active field. Due to their unique electronic properties, these materials are strong candidates for many applications in spintronics. This thesis aims to investigate the electronic properties of (Bi,Sb)_2 (Se,Te)_3 family compounds using first-principles calculations. The quantum spin-Hall effect and the topological insulators are discussed. Two approaches of DFT ̶ pseudopotential and LAPW are applied. The calculations were carried out using Quantum ESPRESSO and WIEN2k. Some bulk properties of (Bi,Sb)_2 (Se,Te)_3 materials were calculated. Surface states calculated for Bi_2 Se_3, Bi_2 Te_3 and Sb_2 Te_3. The results confirmed the topological behavior of these materials. Because of the influence of spin-orbit coupling, the helical edge states were observed. The results also showed that the pseudopotential approach is comparable to LAPW in order to calculate the band structure and density of states.In recent years, the research on properties of topological insulators has been a very active field. Due to their unique electronic properties, these materials are strong candidates for many applications in spintronics. This thesis aims to investigate the electronic properties of (Bi,Sb)_2 (Se,Te)_3 family compounds using first-principles calculations. The quantum spin-Hall effect and the topological insulators are discussed. Two approaches of DFT ̶ pseudopotential and LAPW are applied. The calculations were carried out using Quantum ESPRESSO and WIEN2k. Some bulk properties of (Bi,Sb)_2 (Se,Te)_3 materials were calculated. Surface states calculated for Bi_2 Se_3, Bi_2 Te_3 and Sb_2 Te_3. The results confirmed the topological behavior of these materials. Because of the influence of spin-orbit coupling, the helical edge states were observed. The results also showed that the pseudopotential approach is comparable to LAPW in order to calculate the band structure and density of states.