[論文レビュー] Electric Field Induced Topological Phase Transition in Two-Dimensional Few-layer Black Phosphorus

Qihang Liu, Xiuwen Zhang+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 14, 2014

Topological Materials and Phenomena参考文献 49被引用数 244

ひとこと要約

本稿では、数層の黒リンに垂直な電場を印加することで、通常の半導体からトポロジカル半導体へ、さらに金属へに至る連続的なトポロジカル位相転移が誘発されることを提案している。第一原理計算を用いて、電場がバンド反転を制御し、ギャップなしのスピン極化されたエッジ状態と量子スピンホール効果を可能にすることを示しており、スピントロニクスおよび量子計算応用のための電気的にスイッチ可能なトポロジカルトランジスタの道筋を示している。

ABSTRACT

Phosphorene is a novel two-dimensional material that can be isolated through mechanical exfoliation from layered black phosphorus, but unlike graphene and silicene, monolayer phosphorene has a large band gap. It was thus unsuspected to exhibit band inversion and the ensuing topological insulator behavior. It has recently attracted interest because of its proposed application as field effect transistors. Using first-principles calculations with applied perpendicular electric field F we predict a continuous transition from the normal insulator to a topological insulator and eventually to a metal as a function of F. The continuous tuning of topological behavior with electric field would lead to spin-separated, gapless edge states, i.e., quantum spins Hall effect. This finding opens the possibility of converting normal insulating materials into topological ones via electric field, and making a multi-functional field effect topological transistor that could manipulate simultaneously both spins and charge carrier.

研究の動機と目的

• 数層の黒リンが外部電場の下でトポロジカル位相転移を経験できるかどうかを調査すること。
• 初期バンドギャップが大きい材料において、電気的チューニングによるトポロジカル半導体の挙動を可能にする可能性を探ること。
• そのような転移が、スピン極化されギャップのないエッジ状態の出現を可能にするかどうかを特定すること。
• 電荷とスピンの両方を制御できるマルチファンクショナルなフィールド効果トポロジカルトランジスタのメカニズムを提唱すること。

提案手法

• スピン軌道結合を含む第一原理密度汎関数理論（DFT）計算を用いて、数層の黒リンをモデル化すること。
• 垂直方向の電場を印けて電子構造とバンドギャップをチューニングすること。
• バンド構造とスピンテクスチャーの分析により、バンド反転とトポロジカル性を検出すること。
• Z2トポロジカル不変量の計算により、自明な状態から非自明な状態への転移を確認すること。
• 有効ハミルトニアンを用いてバンド反転とエッジ状態の形成を記述すること。
• 電場強度の関数としてバンドギャップとエッジ状態の進化をシミュレートすること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 初期に大きなバンドギャップを持つにもかかわらず、外部電場が数層の黒リンにトポロジカル位相転移を誘発できるか？
• RQ2 電場が黒リンのバンド構造にどのように影響を与え、バンド反転を誘発するか？
• RQ3 トポロジカル転移中に出現するエッジ状態の性質は何か？
• RQ4 この転移が連続的にチューニング可能であり、トポロジカル状態と金属的状態の両方を制御可能か？
• RQ5 電荷とスピンの両方を制御できるフィールド効果トポロジカルトランジスタを実現する可能性は何か？

主な発見

• 垂直電場を増加させることで、通常の半導体からトポロジカル半導体へ、さらに金属へに至る連続的なトポロジカル位相転移が誘発される。
• バンド反転は、約0.4 V/Åの臨界電場で発生し、非自明なトポロジーの開始を示している。
• トポロジカル半導体状態では、ギャップなしのスピン極化されたエッジ状態を示し、これは量子スピンホール効果の特徴である。
• 転移点でZ2不変量が0（自明）から1（非自明）に変化し、トポロジカル秩序が確認された。
• この転移は逆転可能でチューニング可能であり、電気ゲートによるトポロジカル性質の動的制御が可能である。
• 予測された挙動は、スピントロニクス向けにマルチファンクショナルなフィールド効果トポロジカルトランジスタを実現可能であることを支持している。