中文摘要：

金属表面电子态诱导的吸附原子间长程相互作用一直是表面物理和凝聚态物理领域的研究热点之一。近年来在以石墨烯和拓扑绝缘体表面态为代表的狄拉克电子气体系领域取得的重大进展和自旋电子学的蓬勃发展，使得研究狄拉克电子气诱导的吸附原子间长程相互作用成为凝聚态物理中一个重要的前沿问题。本项目拟对这一前沿问题开展深入探索，并与近自由电子气诱导的吸附原子间长程相互作用的性质进行对比，做出具有创新意义的基础研究工作。研究内容主要包括单层及双层石墨烯表面上碱金属吸附原子间的长程相互作用和过渡金属吸附原子间的磁交换相互作用的理论与模拟研究；拓扑绝缘体(111)表面上碱金属吸附原子间的长程相互作用和过渡金属吸附原子间的磁交换相互作用的理论与模拟研究；狄拉克电子气诱导的吸附原子长程序超晶格的形成可能性和存在稳定性的探索研究。本项目的研究工作会推进人们对狄拉克电子气特性的认识，促进表面纳米异质结构研究的发展。

结论摘要：

通过研究固体材料表面上吸附原子之间的长程相互作用性质，来理解和实现吸附原子在表面的自组装结构，对制作纳米电子器件具有重要意义，也是表面物理和凝聚态物理领域的一个基本科学问题。作为一类新的量子物质态，以石墨烯和拓扑绝缘体为代表的狄拉克电子气体系具有众多新奇电学性质，被誉为未来纳米电子科技中的重要潜质材料，近年来备受关注。采用大规模的第一性原理电子结构计算和基于紧束缚模型的理论模拟相结合的研究路线，本项目系统研究了狄拉克电子气诱导的（碱金属和3d-过渡金属）吸附原子之间的长程相互作用性质，并与扫描隧道显微镜(STM)实验合作者发现并揭示了石墨烯表面Cs吸附原子超晶格结构的形成机制(论文发表在Physical Review Letters上)。主要研究内容和结论如下1）在无衬底的石墨烯表面，碱金属吸附原子向石墨烯转移少量电荷后通过弱离子键与表面耦合，吸附原子之间存在长程库仑排斥作用，并且随石墨烯层数增加而增强；2）6H-SiC(0001)衬底上石墨烯缓冲层的周期褶皱(Moiré条纹)为碱金属原子的吸附提供周期模板，模板效应与吸附原子间的长程库仑排斥势相互竞争，导致Cs原子能在2-5层石墨烯表面形成长程有序的超晶格结构；3）在石墨烯表面，3d过渡金属吸附原子与石墨烯之间存在离子键-共价键混合型的键合作用，磁性吸附原子间存在静电排斥、RKKY磁交换和表面形变引起的弹性势等多种相互作用，能够形成一些亚稳的dimer结构；4）计算得到拓扑绝缘体Bi2Te3和Bi2Se3(111)的表面电子态随薄膜厚度的演化趋势，给出两类吸附原子与Bi2Te3和Bi2Se3(111)表面的相互作用性质及其对表面电子态的影响效应。5）发现金属铅薄膜表面的近自由电子气对3d-磁性吸附原子具有明显的自旋屏蔽效应，并预言Cr、Mn原子在Pb(111)表面上的近藤效应会受到铅薄膜量子尺寸效应的调制。本项目通过理论模拟研究揭示了狄拉克电子气与近自由电子气体系对表面吸附原子间的相互作用性质的不同调制作用，为STM实验研究提供了清晰的物理图象，相关成果可为表面纳米超晶格结构的研究提供新思路。