中文摘要：

拓扑绝缘体是一种新的量子物质态，它奇特的电子结构和广阔的应用前景引起了巨大的研究兴趣。受时间反演对称性保护的电子态和强烈自旋轨道耦合是其基本特征。压力对物质的结构和性质产生普遍的影响，揭示出其他手段不能得到的新现象、新性质和新结构。压力下拓扑绝缘体的性质及演化规律还鲜有人涉及。通常压力作用使能带交叠，物质金属化，拓扑绝缘体能隙受到时间反演对称性的保护，与压力作用形成矛盾；根据物质的不同，压力对自旋轨道耦合强度表现出破坏或增强，任何情况都会影响拓扑绝缘体的性质。以上两个问题涉及拓扑绝缘的最基本特征，且尚无答案。同时压力会导致相变，影响物质性能。本项目拟采用紧束缚近似，从解析理论出发，对有代表性的第二代拓扑绝缘体Bi2Se3，Bi2Te3和Sb2Te3在压力作用下其自旋轨道耦合、电子结构的变化规律，以及压力对晶体结构的影响，建立"压力-自旋轨道耦合-电子结构"间相互关系，探索压力对其影响。

结论摘要：

拓扑绝缘体是一种新的量子物质态，它奇特的电子结构和广阔的应用前景引起了巨大的研究兴趣。传统理论和实验认识的拓扑绝缘体，纯在合成困难，纯度要求高等缺陷。压力对物质的结构和性质产生普遍的影响，揭示出其他手段不能得到的新现象、新性质和新结构。铋元素为氮族最重的元素，过渡金属有丰富的价电子和轨道耦合效应，在高压下表现出丰富的物理性质，过渡金属化合物中过渡金属原子轨道与简单原子轨道发生杂化，会产生丰富的物理现象，可能会导致拓扑绝缘性。是否可能存在结构简单，生成条件相对廉价温和的拓扑绝缘体材料，其电子结构特性，压力特性等问题是本课题的核心内容。本课题系统地研究了ⅦB过渡金属氮化物在压力作用下的晶格结构，电子结构等特点，发现了多种新型结构，其中一些存在奇特的晶格对称性和电子结构，有可能成为廉价的拓扑绝缘体材料，研究了它们的生成条件，电子结构等重要物理信息。项目对传统第二代拓扑绝缘体，如Bi2Se3，Bi2Te3和Sb2Te3，有类似晶体及电子结构的过渡金属氮化物进行搜索，以寻找有C4、C6对称性，易合成的拓扑绝缘体材料。本课题采用第一性计算原理方法，充分考虑了过渡金属原子可能存在的强关联效应，及氮的赝势特殊性可能给计算结果的准确性带来的困难，系统的搜寻了铼氮、锝氮、和锰氮等化物的可能结构，研究了其电子结构特点。探索多种化学配比铼氮化合物并给出全新的Re-N相图，研究了氮含量对材料晶体结构、电子结构。发现随着氮含量的增加，Re-N化合物的结构有层状排列结构转化为3D多面体堆叠结构，费米能级处DOS值降低，化合物的金属性降低，Re 5d电子和N 2p电子的杂化作用增强；发现锝氮化物构演化规律与铼氮化合物规律近似，随着氮浓度的增加，氮元素逐渐构成空间网格，电子结构演化上的规律也与铼氮化合物近似，发现室温条件下即可合成富金属Tc的Tc3N和Tc2N化合物，发现TcN3和TcN4是潜在的超不可压缩硬质材料；得到了得到5个在零温常压下可以存在的富氮Mn-N相。发现随着氮含量的增加，富氮锰氮化合物中的金属传导电子数量显著降低，氮含量最高的oP24-MnN5是半导体，填补了长期以来锰氮相图上富氮锰氮化合物的空白，提高氮的浓度可以从而的抑制材料中的金属自由电子，并导致强的金属d轨道和N的p轨道的杂化，形成空间三维共价网络。以上结果表明，通过氮的浓度的改变，可以有效的改变晶体的对称性和电子结构。