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拓扑绝缘体是一类体内绝缘，而边界导电的新奇量子物态。其金属性的拓扑边界态由体能带波函数的拓扑性质所决定，且具有自旋—动量锁定等特性。拓扑绝缘体由于其丰富的物理内涵和潜在的应用价值而倍受关注。近些年关于拓扑绝缘体的理论研究发展迅速，而实验研究进展相对缓慢，主要原因在于可用拓扑材料的缺乏。因而通过理论计算和实验研究探索更多性能优良的拓扑材料对拓扑绝缘体的研究和未来的实际应用至关重要。 在本文的工作中，我们利用第一性原理计算方法，通过在层状材料中构造单层体系和范德瓦尔斯异质结构体系来设计和研究新型拓扑绝缘体材料。主要包括以下两个工作: 一，预言单层Bi4Br4是能隙较大(～180 meV)的量子自旋霍尔绝缘体。三维层状化合物Bi4Br4是拓扑平庸的半导体，但从中剥离出的二维单层体系却具有非平庸的拓扑性质。我们通过结合能和声子谱计算探讨了单层剥离的可能性以及单层结构的稳定性;分别采用低能k·p有效哈密顿量和原子轨道演化分析的方法研究了反带结构及其形成机制。此外，我们还发现多层Bi4Br4体系中层间耦合对低能电子结构的影响很小。当单层体系以三维Bi4Br4单晶表面为衬底时，其拓扑边缘态不会被破坏。因而只需在三维Bi4Br4单晶表面通过纳米加工制备出单层台阶结构，即可得到一维无耗散的拓扑边缘态导电通道。 二，研究发现BiTeⅠ/Bi2Te3异质结构是有着巨大Rashba自旋劈裂的非中心反演三维拓扑绝缘体。BiTeⅠ和Bi2Te3都是层状材料，具有相匹配的平面晶格常数。由于BiTeⅠ具有极性结构和强自旋轨道耦合作用，它的体能带存在巨大的Rashba自旋劈裂，但它是普通的绝缘体。我们发现在BiTeⅠ中插入Bi2Te3五倍层可以诱导拓扑绝缘相，同时还保留BiTeⅠ中的Rashba自旋劈裂。通过控制插入的层数可以有效地调节拓扑不变量Z2和自旋劈裂的强度，使其劈裂强度甚至可以大于BiTeⅠ本身的强度。此外，我们还详细研究了BiTeⅠ/Bi2Te3中丰富的自旋—动量锁定和自旋—轨道锁定特性。