摘要
外尔半金属因其特殊的电子结构和表面态而具有三维无能隙线性色散能带结构、手性反常和负磁阻效应等诸多有趣的物理性质，其独特的光学性质和输运特性在纳米光电器件领域具有美好的应用前景。本论文基于紧束缚近似下的低能有效理论框架，研究外尔半金属纳米体系的电子能带结构及外场（电场、磁场和/或（非）共振光）调控。主要研究内容如下： 第一章绪论部分，在简要介绍外尔半金属的发现及其研究进展基础上，介绍紧束缚模型和半导体带间相关跃迁理论，并给出本文的的主要研究内容及其科学意义。 第二章基于紧束缚近似下的低能有效哈密顿模型，研究外加电场和/或磁场对外尔半金属电子能带结构的调控。研究结果表明：（1）仅在正向（负向）电场作用下，随着电场强度的不断增大，体系的外尔点逐渐向布里渊区边界（布里渊区中心）移动，当电场强度增大到一定程度时，可以实现半金属-半导体（绝缘体）转变；（2）仅在外加磁场作用下，外尔半金属可以形成分立的朗道能级，n=0的子带不随磁长度的增大而变化，n≠0的子带随着磁长度的增大不断向费米能级靠近，且相同指标导带和价带间的能隙不断减小；（3）在保持磁长度不变的条件下，体系的外尔点随着外加正向（负向）电场强度的增大逐渐向布里渊区边界（布里渊区中心）移动，在适当的外加电场作用下，n=0的子带由部分占据的价带变为第一导带（完全占据的第一价带）并可以实现半金属-半导体或半金属-绝缘体转变。 第三章基于紧束缚近似下的低能有效哈密顿模型，研究外加电场和/或非共振圆偏振光作用下外尔半金属的电子能带结构。研究结果表明：（1）仅在外加正向（负向）电场作用下，随着外加电场不断增强，体系的外尔点逐渐向布里渊区边界（布里渊区中心）移动，在布里渊区kz=0处导带和价带逐渐向深能级（靠近费米能级）方向移动，子带间的能隙逐渐增大（减小），体系在正向电场作用下保持半金属性，在适当的负向电场作用下可以实现半金属-半导体转变；（2）仅在外加非共振右旋（左旋）圆偏振光作用下，体系的外尔点随着非共振右旋（左旋）圆偏振光引起的有效耦合能的不断增大逐渐向布里渊区边界（布里渊区中心）移动，体系在非共振右旋圆偏振光作用下保持半金属性，在适当的非共振左旋圆偏振光作用下可以实现半金属-半导体转变；（3）在负向电场和非共振左旋圆偏振光共同作用下，体系的外尔点随着负向电场和非共振左旋圆偏振光的增强逐渐向布里渊区中心移动，在适当的负向电场和非共振左旋圆偏振光作用下可以实现半金属-半导体转变。 第四章基于紧束缚近似下的低能有效哈密顿模型和半导体带间跃迁理论，研究外尔半金属在外加电场和共振圆偏振光作用下的电子能带结构及其光学响应。研究结果表明，当外加电场引起的能量Δz在0.02~0.18 eV范围内时，体系的外尔点随着电场强度的增大逐渐向布里渊区中心移动，在布里渊区kx=0处，费米能级附近的导带和价带能隙逐渐减小，当电场强度增大到一定程度时，可以实现外尔半金属-直接带隙半导体转变，系统光学共振峰呈现先红移后蓝移的行为；当外加电场引起的能量Δz在0.2~2.0 eV范围内时，体系呈现直接带隙半导体特征，能隙随着外加电场强度的增大而增大，光学共振峰逐渐蓝移。 第五章对本文的工作进行总结和归纳，并对外尔半金属的磁光响应、光电性质及其外部电磁调控方面进行展望。
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