[論文レビュー] Computational study of heavy group IV elements (Ge, Sn, Pb) triangular lattice atomic layers on SiC(0001) surface

Anton Visikovskiy, Shingo Hayashi+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 4, 2018

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ひとこと要約

本研究では、密度汎関数理論（DFT）を用いて、SiC(0001)上に形成されるGe、Sn、Pbの高密度三角格子原子層（TLAL）を調査し、T1吸着サイトの優位性を示した。主な発見は、部分電子密度における対称性の破れによって生じるラシュバ型およびゼーマン型のスピン極性の共存であり、p_x+p_yバンドはゼーマン型のスピン分裂を示し、p_zバンドはK点近くでラシュバ型のスピン渦を示す。

ABSTRACT

Group IV heavy elements atomic layers are expected to show an interesting physical properties due to their large spin-orbit coupling (SOC). Using density functional theory (DFT) calculations with/without SOC we investigate the variation of group IV heavy elements overlayers, namely dense triangular lattice atomic layers (TLAL) on the surface of SiC(0001) semiconductor. The possibility of such layers formation and their properties have not been addressed before. Here we show, that these layers may indeed be stable and, owing to peculiar bonding configuration, exhibit robust Dirac-like energy bands originating from $p_x+p_y$ orbitals and localized mostly within the layer, and $p_z$ band localized outside the layer and interacting with SiC substrate. We found that a $T_1$ adsorption site is most favorable for such TLAL structure and this results in an unusual SOC-induced spin polarization of the states around $\bar{K}$ points of Brillouin zone, namely the coexistence of Rashba- and Zeeman-like spin polarization of different states. We explain this phenomena in terms of symmetry of partial electronic density rather than symmetry of atomic structure.

研究の動機と目的

• 重いグループIVA元素（Ge、Sn、Pb）の高密度三角格子原子層（TLAL）がSiC(0001)表面に安定に形成されるか、およびその電子的構造を調査すること。
• 吸着体過剰条件下でのTLAL形成に最も適した吸着サイト（T1、T4、H3）を特定すること。
• スピン軌道結合（SOC）が、これらの系における特異なスピン極性状態を誘導する役割を調査すること。
• 原子構造の対称性ではなく、部分電子密度の対称性に基づいて、非従来型のスピン分裂挙動の起源を理解すること。
• スピンテクスチャーおよびバンド分散を決定づける、面内p_x+p_yと面外p_zバンドの相互作用を明らかにすること。

提案手法

• 構造的安定性および電子的性質を評価するために、スピン軌道結合（SOC）を含む・含まない密度汎関数理論（DFT）計算を実施した。
• Ge、Sn、Pbの異なる吸着サイト（T1、T4、H3）を体系的に評価し、最も安定した構成を特定した。
• ブリユアンゾーンのK点近くのバンド構造およびスピン分裂パターンを分析し、ラシュバ型およびゼーマン型の挙動を同定した。
• p_x+p_yおよびp_z軌道の部分電子密度分布を検討し、対称性とスピン極性のタイプの相関を明らかにした。
• 水素化TLALおよびSiCバイレイヤー・モデルを用いて、基底面の対称性が電子密度再構築に与える影響を分離した。
• 理想的なp6mm対称性を持つ層と基底面結合系を比較し、スピンテクスチャーに及ぼす対称性の破れの影響を明らかにした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Ge、Sn、Pbの高密度三角格子原子層（TLAL）はSiC(0001)上に安定に形成可能であり、最も適した吸着サイトは何か？
• RQ2 スピン軌道結合（SOC）は、これらのTLAL系における電子バンドのスピン極性にどのように影響を与えるか？
• RQ3 同じ原子環境に置かれたp_x+p_yおよびp_z由来のバンドが、なぜ異なる種類のスピン分裂（ゼーマン型対比ラシュバ型）を示すのか？
• RQ4 原子格子の対称性だけでなく、部分電子密度の対称性が、SOC誘起スピン分裂の性質をどの程度決定づけているか？
• RQ5 基底面相互作用が、ラシュバ型およびゼーマン型のスピン極性の共存を可能にする対称性の破れをどのように引き起こすか？

主な発見

• GeおよびSnのTLAL形成にはT1吸着サイトが最も好ましく、吸着体過剰条件下で安定な(1×1)構造を示した。
• Pbについては、原子半径が大きいことから、バクル型の(√3×√3)構造が安定であるが、電子的性質にはほとんど影響を及ぼさない。
• K点近くのp_x+p_yバンドは、基底面に起因する対称性の破れによって誘導される部分電子密度のp3m1対称性により、ゼーマン型のスピン分裂を示した。
• フェルミ準拠近くのp_z由来バンドは、T1サイトに吸着した際の部分密度にp6mm対称性が保持されているため、ラシュバ型のスピン極性およびスピン渦を示した。
• ラシュバ型およびゼーマン型のスピン分裂が共存するのは、異なる軌道（p_x+p_y 対比 p_z）が基底面から異なる対称性環境を経験するためである。
• スピン分裂の起源は、全体の原子格子対称性ではなく、部分電子密度の対称性に起因する。これは、2次元系におけるSOCメカニズムを理解する上で重要な洞察である。