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清华大学优秀博士学位论文丛书（以下简称优博丛书）精选自2014年以来入选的清华大学校级优秀博士学位论文（Top 5%）。每篇论文经作者进一步修改、充实并增加导师序言后，以专著形式呈现在读者面前。优博丛书选题范围涉及自然科学和人文社会科学各主要领域，覆盖清华大学开设的全部一级学科，代表了清华大学各学科*秀的博士学位论文的水平，反映了相关领域*的科研进展，具有较强的前沿性、系统性和可读性，是广大博硕士研究生开题及撰写学位论文的必备参考，也是科研人员快速和系统了解某一细分领域发展概况、*进展以及创新思路的有效途径。
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| 內容簡介： |
拓扑绝缘体作为一种新奇的量子材料，因其奇异的量子性质和广阔的应用前景，现已
成为凝聚态物理学*重要的研究热点之一。磁掺杂拓扑绝缘体，顾名思义，就是在拓扑绝缘体材料中掺入磁性元素，在体系本征的拓扑特性中引入铁磁序而形成的拓扑绝缘体。由于铁磁序的引入，体系丧失了时间反演对称性，使得磁掺杂拓扑绝缘体往往能够表现出与常规拓扑绝缘体迥异的电子结构性质。深刻地理解这些特性的物理起源，不仅可以深化人们对于拓扑绝缘体的认知，也可为未来设计基于拓扑绝缘体的自旋电子学器件奠定基础。
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| 目錄：
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第 1章绪论 . 1
1.1引言 . 1
1.2拓扑绝缘体简介 3
1.3二维拓扑绝缘体 4
1.3.1二维拓扑绝缘体 石墨烯 . 4
1.3.2二维拓扑绝缘体 HgTe量子阱 7
1.3.3二维拓扑绝缘体 第二类半导体异质结 . 11
1.4三维拓扑绝缘体 12
1.4.1强拓扑绝缘体 . 13
1.4.2弱拓扑绝缘体 . 22
1.5磁性掺杂的拓扑绝缘体 23
1.5.1磁性掺杂的二维拓扑绝缘体 . 25
1.5.2磁性掺杂的 Bi2Se3族材料薄膜 27
1.6论文结构和主要内容 . 29
第 2章理论方法 . 31
2.1引言 . 31
2.2绝热近似 32
2.3哈特里-福克近似 . 34
2.3.1哈特里方程 . 34
2.3.2福克近似 35
2.4密度泛函理论 . 36
2.4.1 Hohenberg-Kohn定理 . 36
2.4.2 Kohn-Sham方程 37
2.4.3交换关联泛函 . 38
2.5最大局域化瓦尼尔函数 40
第 3章 Cr掺杂的 Bi2Se3薄膜的磁性质 . 45
3.1引言 . 45
3.2计算方法 46
3.3 MBE方法生长的 Cr掺杂 Bi2Se3薄膜 46
3.3.1实验发现与困境 47
3.3.2理论模拟和物理图像 . 51
3.4 Cr沉积的 Bi2Se3表面 . 56
3.4.1实验发现 57
3.4.2理论模拟和物理图像 . 59
3.5本章小结 62
第 4章 Cr掺杂的 Bi2Te3和 Sb2Te3薄膜的拓扑性质 65
4.1引言 . 65
4.2实验发现 66
4.3计算方法 68
4.4 Cr掺杂 4QL Sb2Te3薄膜的电子结构和拓扑性质 69
4.5自旋极化的双折射 . 76
4.5.1自旋分辨的量子聚焦 . 79
4.5.2自旋分辨的量子幻影 . 80
4.6本章小结 82
第 5章 Cr掺杂的 Bi2SexTe1.x3薄膜的拓扑性质 83
5.1引言 . 84
5.2实验发现 84
5.3计算方法 88
5.4 Cr掺杂 Bi2SexTe1.x3的拓扑性质 . 88
5.4.1 CryBi2.ySe3和 CryBi2.yTe3的拓扑相变 89
目录 XV
5.4.2 Cr0.25Bi1.75SexTe1.x3的拓扑相变 94
5.5有效理论与物理图像 . 95
5.6本章小结 .100
第 6章弱拓扑绝缘体 Bi2TeI .101
6.1引言 101
6.2计算方法 .102
6.3 Bi2TeI的晶格结构 .103
6.4 Bi2TeI的电子结构性质 104
6.5 BiTeI-Bi2-BiTeI薄膜的电子结构性质 108
6.6本章小结 .110
第 7章二维Ⅳ族元素单质及其衍生物的拓扑性质 113
7.1引言 113
7.2计算方法 .114
7.3 p-d杂化增大石墨烯的拓扑非平庸能隙 116
7.4 Ag111表面外延生长的硅烯的电子结构 .119
7.5二维拓扑绝缘体 SnX X=F, Cl, Br, I, OH 122
7.6二维拓扑绝缘体 哑铃状锡烯 125
7.6.1电子结构和拓扑性质 126
7.6.2 h-BN的哑铃状锡烯 .129
7.6.3 InSb111-2 2表面的哑铃状锡烯 .129
7.7本章小结 .135
参考文献 137
致谢 .157
在读期间发表的学术论文与获得的奖励 .159
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| 內容試閱：
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一流博士生教育体现一流大学人才培养的高度（代丛书序） ①
人才培养是大学的根本任务。只有培养出一流人才的高校，才能够成为世界一流大学。本科教育是培养一流人才最重要的基础，是一流大学的底色，体现了学校的传统和特色。博士生教育是学历教育的最高层次，体现出一所大学人才培养的高度，代表着一个国家的人才培养水平。清华大学正在全面推进综合改革，深化教育教学改革，探索建立完善的博士生选拔培养机制，不断提升博士生培养质量。
学术精神的培养是博士生教育的根本
学术精神是大学精神的重要组成部分，是学者与学术群体在学术活动中坚守的价值准则。大学对学术精神的追求，反映了一所大学对学术的重视、对真理的热爱和对功利性目标的摒弃。博士生教育要培养有志于追求学术的人，其根本在于学术精神的培养。
无论古今中外，博士这一称号都是和学问、学术紧密联系在一起，和知识探索密切相关。我国的博士一词起源于 2000多年前的战国时期，是一种学官名。博士任职者负责保管文献档案、编撰著述，须知识渊博并负有传授学问的职责。东汉学者应劭在《汉官仪》中写道：博者，通博古今；士者，辩于然否。后来，人们逐渐把精通某种职业的专门人才称为博士。博士作为一种学位，最早产生于 12世纪，最初它是加入教师行会的一种资格证书。 19世纪初，德国柏林大学成立，其哲学院取代了以往神学院在大学中的地位，在大学发展的历史上首次产生了由哲学院授予的哲学博士学位，并赋予了哲学博士深层次的教育内涵，即推崇学术自由、创造新知识。
①本文首发于《光明日报》，2017年 12月 5日。
哲学博士的设立标志着现代博士生教育的开端，博士则被定义为独立从事学术研究、具备创造新知识能力的人，是学术精神的传承者和光大者。
博士生学习期间是培养学术精神最重要的阶段。博士生需要接受严谨的学术训练，开展深入的学术研究，并通过发表学术论文、参与学术活动及博士论文答辩等环节，证明自身的学术能力。更重要的是，博士生要培养学术志趣，把对学术的热爱融入生命之中，把捍卫真理作为毕生的追求。博士生更要学会如何面对干扰和诱惑，远离功利，保持安静、从容的心态。学术精神特别是其中所蕴含的科学理性精神、学术奉献精神不仅对博士生未来的学术事业至关重要，对博士生一生的发展都大有裨益。
独创性和批判性思维是博士生最重要的素质
博士生需要具备很多素质，包括逻辑推理、言语表达、沟通协作等，但是最重要的素质是独创性和批判性思维。
学术重视传承，但更看重突破和创新。博士生作为学术事业的后备力量，要立志于追求独创性。独创意味着独立和创造，没有独立精神，往往很难产生创造性的成果。 1929年 6月 3日，在清华大学国学院导师王国维逝世二周年之际，国学院师生为纪念这位杰出的学者，募款修造海宁王静安先生纪念碑，同为国学院导师的陈寅恪先生撰写了碑铭，其中写道：先生之著述，或有时而不章；先生之学说，或有时而可商；惟此独立之精神，自由之思想，历千万祀，与天壤而同久，共三光而永光。 这是对于一位学者的极高评价。中国著名的史学家、文学家司马迁所讲的究天人之际、通古今之变，成一家之言也是强调要在古今贯通中形成自己独立的见解，并努力达到新的高度。博士生应该以独立之精神、自由之思想来要求自己，不断创造新的学术成果。
诺贝尔物理学奖获得者杨振宁先生曾在 20世纪 80年代初对到访纽约州立大学石溪分校的 90多名中国学生、学者提出：独创性是科学工作者最重要的素质。 杨先生主张做研究的人一定要有独创的精神、独到的见解和独立研究的能力。在科技如此发达的今天，学术上的独创性变得越来越难，也愈加珍贵和重要。博士生要树立敢为天下先的志向，在独创性上下功夫，勇于挑战最前沿的科学问题。
批判性思维是一种遵循逻辑规则、不断质疑和反省的思维方式，具有批判性思维的人勇于挑战自己、敢于挑战权威。批判性思维的缺乏往往被认为是中国学生特有的弱项，也是我们在博士生培养方面存在的一个普遍问题。 2001年，美国卡内基基金会开展了一项卡内基博士生教育创新计划，针对博士生教育进行调研，并发布了研究报告。该报告指出：在美国和欧洲，培养学生保持批判而质疑的眼光看待自己、同行和导师的观点同样非常不容易，批判性思维的培养必须要成为博士生培养项目的组成部分。
对于博士生而言，批判性思维的养成要从如何面对权威开始。为了鼓励学生质疑学术权威、挑战现有学术范式，培养学生的挑战精神和创新能力，清华大学在 2013年发起巅峰对话，由学生自主邀请各学科领域具有国际影响力的学术大师与清华学生同台对话。该活动迄今已经举办了 21期，先后邀请 17位诺贝尔奖、 3位图灵奖、 1位菲尔兹奖获得者参与对话。诺贝尔化学奖得主巴里 夏普莱斯（ Barry Sharpless）在 2013年 11月来清华参加巅峰对话时，对于清华学生的质疑精神印象深刻。他在接受媒体采访时谈道：清华的学生无所畏惧，请原谅我的措辞，但他们真的很有胆量。 这是我听到的对清华学生的最高评价，博士生就应该具备这样的勇气和能力。培养批判性思维更难的一层是要有勇气不断否定自己，有一种不断超越自己的精神。爱因斯坦说：在真理的认识方面，任何以权威自居的人，必将在上帝的嬉笑中垮台。 这句名言应该成为每一位从事学术研究的博士生的箴言。
提高博士生培养质量有赖于构建全方位的博士生教育体系
一流的博士生教育要有一流的教育理念，需要构建全方位的教育体系，把教育理念落实到博士生培养的各个环节中。
在博士生选拔方面，不能简单按考分录取，而是要侧重评价学术志趣和创新潜力。知识结构固然重要，但学术志趣和创新潜力更关键，考分不能完全反映学生的学术潜质。清华大学在经过多年试点探索的基础上，于 2016年开始全面实行博士生招生申请 -审核制，从原来的按照考试分数招收博士生转变为按科研创新能力、专业学术潜质招收，并给予院系、学科、导师更大的自主权。《清华大学申请 -审核制实施办法》明晰了导师和院系在考核、遴选和推荐上的权利和职责，同时确定了规范的流程及监管要求。
在博士生指导教师资格确认方面，不能论资排辈，要更看重教师的学术活力及研究工作的前沿性。博士生教育质量的提升关键在于教师，要让更多、更优秀的教师参与到博士生教育中来。清华大学从 2009年开始探索将博士生导师评定权下放到各学位评定分委员会，允许评聘一部分优秀副教授担任博士生导师。近年来学校在推进教师人事制度改革过程中，明确教研系列助理教授可以独立指导博士生，让富有创造活力的青年教师指导优秀的青年学生，师生相互促进、共同成长。
在促进博士生交流方面，要努力突破学科领域的界限，注重搭建跨学科的平台。跨学科交流是激发博士生学术创造力的重要途径，博士生要努力提升在交叉学科领域开展科研工作的能力。清华大学于 2014年创办了微沙龙平台，同学们可以通过微信平台随时发布学术话题、寻觅学术伙伴。 3年来，博士生参与和发起微沙龙 12000多场，参与博士生达 38000多人次。微沙龙促进了不同学科学生之间的思想碰撞，激发了同学们的学术志趣。清华于 2002年创办了博士生论坛，论坛由同学自己组织，师生共同参与。博士生论坛持续举办了 500期，开展了 18000多场学术报告，切实起到了师生互动、教学相长、学科交融、促进交流的作用。学校积极资助博士生到世界一流大学开展交流与合作研究，超过 60%的博士生有海外访学经历。清华于 2011年设立了发展中国家博士生项目，鼓励学生到发展中国家亲身体验和调研，在全球化背景下研究发展中国家的各类问题。
在博士学位评定方面，权力要进一步下放，学术判断应该由各领域的学者来负责。院系二级学术单位应该在评定博士论文水平上拥有更多的权力，也应担负更多的责任。清华大学从 2015年开始把学位论文的评审职责授权给各学位评定分委员会，学位论文质量和学位评审过程主要由各学位分委员会进行把关，校学位委员会负责学位管理整体工作，负责制度建设和争议事项处理。
全面提高人才培养能力是建设世界一流大学的核心。博士生培养质量的提升是大学办学质量提升的重要标志。我们要高度重视、充分发挥博士生教育的战略性、引领性作用，面向世界、勇于进取，树立自信、保持特色，不断推动一流大学的人才培养迈向新的高度。
清华大学校长
2017年 12月 5日
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