[en] This PhD. project covers the researches on the Bi2Se3-family topological insulators (TIs) with different defects and the study of the proximity effects of TI in the heterostructure of graphene with TI. The first part of this project mainly focuses on the effect of disorder on the electronic properties of TI with ultrathin thickness ( 3 nm). It was found that rotation mismatch between quintuple of TI can enlarge the bulk gap of TI but preserve the Rashba type spin texture on the surface state; while, the hydrogenation on one TI surface can help reduce the quantum tunneling effect and close the surface gap at Γ point with Rashba type spin texture for ultrathin TI film. Furthermore, this scheme can also create another Dirac point (DP) at M point with Dresselhaus type spin texture. The second part of the project investigates in the proximity effects of TI within the heterostructure of graphene/TI and the DP on graphene is folded from K/K' point to Γ point in Brillouin zone, due to the band folding, and it was found that the alignment between TI substrate and graphene played the key role in forming the band structure and the spin texture of graphene. Hollow configuration could induce the Kekulé bonding distortion to graphene layer, mainly resulting in the enlarged gap (3. 2 meV), and the Rashba SOC, resulting in the spin precession close to the Γ point. Furthermore, this atypcial Rashba spin texture has the out-of-plane spin component decrease gradually as the k point moves away from the Γ point, leading to the spin anisotropy on graphene layer. While, the bridge or the top configuration could bring the evident band splitting in lateral direction, which could be the origin of the Edelstein effect in graphene layer; however, there is no evident spin anisotropy in such configuration. All the first two parts were carried out through density functional theory (DFT) calculation and a tight binding (TB) model was built up and fitted to the DFT results in order to provide an analytical explanation for the band structure and the spin texture of graphene in the heterostructure device. The last part of this PhD. research work was to study the effect of both non-magnetic and magnetic impurities with random doping scheme on the electronic properties of TI. Numerical calculation based on 3D Fu-Kane-Mele TB model showed that non-magnetic doping on TI surface could only induce the onsite potential on the surface state and lift the DP upwards, preserving the standard Rashba type spin texture; while, the magnetic doping could break the time reversal symmetry and open up the surface gap with the spin anisotropy as well, which means the out-of-plane spin component on magnetically doped TI surface decreases gradually as the k point moves away from the Γ point. Research works in this project could provide a guideline to the experimentlist on the electronic properties of TI with different kinds of defects and impurities (magnetic and non-magnetic ones); particularly, the study of the proximity effect of TI could explain the basic fundamental phenomenon observed in such device for spin dynamics study in the laboratory.

[es] Este doctorado. El proyecto cubre las investigaciones sobre aislantes topológicos (TI) de la familia Bi2Se3 con diferentes defectos y el estudio de efectos de proximidad de TI en la heteroestructura de grafeno con TI. La primera parte de este proyecto se centra principalmente en el efecto del desorden en las propiedades electrónicas de TI con espesor ultrafino ( 3 nm). Se ha encontrado que la falta de coincidencia de rotación entre capas quíntuples de TI puede aumentar el "gap" de volumen de los TI pero preservar la textura de espín tipo Rashba en el estado de la superficie; mientras que la hidrogenación en una superficie de TI puede ayudar a reducir el efecto túnel cuántico y cerrar el "gap" de los estados de superficie en el punto Γ con la textura de espín tipo Rashba para la película TI ultrafina. Además, este esquema también puede crear otro punto Dirac (DP) en el punto M con textura de espín tipo Dresselhaus. La segunda parte del proyecto investiga los efectos de proximidad de TI dentro de la heteroestructura de grafeno/TI y el DP en el grafeno se pliega desde el punto K / K' a Γ punto en la zona Brillouin, debido al plegamiento de la banda, encontrando que la alineación entre el sustrato de TI y el grafeno desempeña un papel clave en la formación de la estructura de la banda y la textura de espín del grafeno. La configuración de apilamiento "hollow" podría inducir la distorsión de unión de Kekulé a la capa de grafeno, dando como resultado el agrandamiento del "gap" (3. 2 meV) y el Rashba SOC, lo que da como resultado la precesión de espín cercana al Γ punto. Además, esta textura atípica de Rashba espín hace que la componente de espín fuera del plano disminuya gradualmente a medida que el punto k se aleja del punto Γ, lo que lleva a la anisotropía de giro en la capa de grafeno. Por otro lado, la configuración de apilamiento "bridge" o "top" podría traer la evidente división de la banda en dirección lateral, que podría ser el origen del efecto Edelstein en la capa de grafeno; sin embargo, no hay una anisotropía de espín evidente en dicha configuración. Todas las primeras dos partes se han llevado a cabo a través del cálculo de la teoría funcional de la densidad (DFT) y se ha construido un modelo de unión ajustada (TB) para los resultados de DFT con el fin de proporcionar una explicación analítica de la estructura de la banda y la textura del spin de grafeno en el dispositivo de heteroestructura. La última parte de este doctorado. La actividad de investigación se centra en estudiar el efecto de impurezas magnéticas y no magnéticas con un esquema de dopaje aleatorio sobre las propiedades electrónicas de los TI. El cálculo numérico basado en el modelo 3D Fu-Kane-Mele TB mostró que el dopaje no magnético en la superficie de TI solo podía inducir el potencial in situ en la superficie DP y elevarlo hacia arriba, preservando la textura estándar de espín tipo Rashba; mientras, el dopaje magnético podría romper la simetría de inversión de tiempo y abrir el "gap" de superficie con la anisotropía de espín también, lo que significa que la componente de espín fuera del plano en la superficie TI dopada magnéticamente disminuye gradualmente a medida que el punto k se aleja del Γ punto. Los trabajos de investigación en este proyecto podrían proporcionar una guía para la lista de experimentos sobre las propiedades electrónicas de TI con diferentes tipos de defectos e impurezas (magnéticos y no magnéticos); particularmente, el estudio de los efectos de proximidad en los TI podrían explicar el fenómeno fundamental básico observado en dicho dispositivo para el estudio de la dinámica de espín en el laboratorio.