[論文レビュー] NiCl3 Monolayer: Dirac Spin-Gapless Semiconductor and Chern Insulator

Junjie He, Xiao Li+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 3, 2016

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ひとこと要約

本稿では、スピン軌道結合を含めた場合に、内在的な高温強磁性（約400 K）と大きな非自明なチーン絶縁体ギャップ（約24 meV）を示す、新規のディラックスピンギャップレス半導体としてのNiCl3モノレイヤーを提案している。これにより、室温に近い温度で量子異常ホール効果の実現が可能となる。この材料は高いディラックフェルミオン移動度（約4×10⁵ m/s）を示し、スピントロニクス応用の有望な候補である。

ABSTRACT

The great obstacle for practical applications of the quantum anomalous Hall (QAH) effect is the lack of suitable QAH materials (Chern insulators) with large non-trivial band gap, room-temperature magnetic order and high carrier mobility. The Nickle chloride (NiCl3) monolayer characteristics are investigated herein using first-principles calculations. It is reported that NiCl3 monolayers constitute a new class of Dirac materials with Dirac spin-gapless semiconducting and high-temperature ferromagnetism (~400K). Taking into account the spin-orbit coupling, the NiCl3 monolayer becomes an intrinsic insulator with a large non-trivial band gap of ~24 meV, corresponding to an operating temperature as high as ~280K at which the quantum anomalous Hall effect could be observed. The calculated large non-trivial gap, high Curie temperature and single-spin Dirac states reported herein for the NiCl3 monolayer lead us to propose that this material give a great promise for potential realization of a near-room temperature QAH effect and potential applications in spintronics. Last but not least the calculated Fermi velocities of Dirac fermion of about 4x105 m/s indicate very high mobility in NiCl3 monolayers.

研究の動機と目的

• 室温応用に適した内在的強磁性および大きな非自明なバンドギャップを有する新しい2次元材料の同定を目的とする。
• 第一原理計算を用いて、NiCl3モノレイヤーの電子的および磁気的性質を調査することを目的とする。
• NiCl3モノレイヤーが、高いキャリア移動度と頑健なトポロジカル秩序を有するスピントロニクス素子のプラットフォームとしての可能性を検討することを目的とする。
• スピン軌道結合下で、この材料がディラックスピンギャップレス半導体的性質とチーン絶縁体的特徴を示すかどうかを同定することを目的とする。

提案手法

• NiCl3モノレイヤーの電子的および磁気的構造を調査するために、第一原理密度汎関数理論（DFT）計算が用いられた。
• スピン軌道結合を体系的に組み込んで、バンドギャップの開き方およびトポロジカル性質への影響を評価した。
• バンド構造およびスピンテクスチャーの分析により、ディラックコーンの形成とスピンギャップレス半導体的性質の確認が行われた。
• 平均場RKKYモデルを用いてCurie温度を推定し、強磁性の熱的安定性を評価した。
• キャリア移動度の定量的評価のため、フェルミ速度が計算された。
• トポロジカル不変量およびチーン数の計算により、チーン絶縁体相の確認が行われた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NiCl3モノレイヤーは、室温応用に適した高いCurie温度を有する内在的強磁性を示すことができるか？
• RQ2 NiCl3モノレイヤーは、フェルミ準位における線形バンド分散とスピン縮退のディラックコーンを示すディラックスピンギャップレス半導体的性質を有するか？
• RQ3 スピン軌道結合を含めた場合の、NiCl3モノレイヤーにおける非自明なバンドギャップの大きさは何か？
• RQ4 非ゼロのチーン数に起因する量子化されたホール伝導度を有するか。これはチーン絶縁体相の存在を示唆する。
• RQ5 NiCl3におけるディラックフェルミオンのフェルミ速度は何か。これはキャリア移動度にどのような意味を持つのか？

主な発見

• NiCl3モノレイヤーは、約400 Kの高いCurie温度を示す高温強磁性を示した。
• スピン軌道結合を含まない状態では、フェルミ準位にスピン縮退のディラックコーンを有する線形バンド分散を示すディラックスピンギャップレス半導体的性質を示した。
• スピン軌道結合を含めた場合、約24 meVの大きな非自明なバンドギャップが開き、トポロジカルに非自明なチーン絶縁体相であることが示された。
• 非ゼロのチーン数に起因する量子化されたホール伝導度が支持され、チーン絶縁体相であることが確認された。
• ディラックフェルミオンのフェルミ速度は約4×10⁵ m/sと計算され、非常に高いキャリア移動度を示した。
• 量子異常ホール効果の動作温度は約280 Kと推定され、室温に近い温度に達した。