[論文レビュー] Quasiparticle Effects in the Bulk and Surface-State Bands of Bi2Se3 and Bi2Te3 Topological Insulators

Oleg V. Yazyev, Emmanouil Kioupakis+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 10, 2011

Topological Materials and Phenomena被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、Bi₂Se₃およびBi₂Te₃のトポロジカル絶縁体におけるバルク状態および表面状態の準粒子効果を補正するために、多体$GW$計算を適用し、バンド端およびディラック点の位置を正確にシフトするエネルギー依存性の'スケッサーオペレータ'を導入した。この手法は実験と定量的に一致し、特にBi₂Se₃ではバルクの価電子帯最大値より0.04 eV下にあったディラック点が0.07 eV上にシフトするなど顕著なディラック点のシフトを明らかにした。また、表面間の混合に起因する表面ギャップの増大も観察された。

ABSTRACT

We investigate the bulk band structures and the surface states of Bi2Se3 and Bi2Te3 topological insulators using first-principles many-body perturbation theory based on the GW approximation. The quasiparticle self-energy corrections introduce significant changes to the bulk band structures, while their effect on the band gaps is opposite in the band-inversion regime compared to the usual situation without band inversion. Parametrized "scissors operators" derived from the bulk studies are then used to investigate the electronic structure of slab models which exhibit topologically protected surface states. The results including self-energy corrections reveal significant shifts of the Dirac points relative to the bulk bands and large gap openings resulting from the interactions between the surface states across the thin slab, both in agreement with experimental data.

研究の動機と目的

• 標準的DFTがBi₂Se₃やBi₂Te₃のようなトポロジカル絶縁体における準粒子エネルギーとバンドギャップを正確に予測できないという既知の問題に対処すること。
• 電子相関効果の影響を$GW$多体摂動論によって定量的に評価し、バルクバンド構造および表面状態に与える影響を明らかにすること。
• 標準的DFT計算に適用可能な実用的でパラメータ化された補正手法である'スケッサーオペレータ'を考案し、トポロジカル絶縁体の性質予測精度を向上させること。
• 特に薄いスラブにおけるディラック点エネルギー位置と表面状態ギャップに関して、DFTの予測と実験観測の乖離を解消すること。

提案手法

• LDA波動関数と自己エネルギー補正を出発点として、BerkeleyGWコードを用いてバルクBi₂Se₃およびBi₂Te₃に対して第一原理的$G_0W_0$計算を実施した。
• スピン軌道相互作用は、非SO固有状態から導かれる二成分基底を用いた、準粒子ハミルトニアンへの後処理補正として取り入れた。
• 価電子帯最大値（VBM）および伝導帯最小値（CBM）における$GW$準粒子シフトに一致するように、エネルギー依存性の'スケッサーオペレータ'をフィッティングし、スラブモデルへの効率的な適用を可能にした。
• 修正されたハミルトニアンを、厚さが異なる(111)スラブモデルに適用し、トポロジカルな表面状態を保持するために、その後にSO結合を追加した。
• スラブのバンド構造と表面ギャップを計算し、角度分解光電子分光法（ARPES）からの実験データと照合した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 $GW$準粒子補正は、特にバンド反転領域において、Bi₂Se₃およびBi₂Te₃のバルクバンド構造とバンドギャップにどのように定量的に影響を与えるか？
• RQ2 トポロジカル絶縁体の表面状態において、準粒子効果はバルクバンドに対してディラック点エネルギーをどの程度シフトさせるか？
• RQ3 表面間の混合に起因する薄いスラブにおける表面状態ギャップに、$GW$補正はどのように影響を与えるか？
• RQ4 パラメータ化された'スケッサーオペレータ'技術は、トポロジカル絶縁体に対して、標準的DFT計算に$GW$の精度を効果的に転送できるか？

主な発見

• Bi₂Se₃では、$GW$準粒子補正により、DFTの結果（バルク価電子帯最大値より0.04 eV下）からディラック点が0.07 eV上昇し、実験値（0.095 eV上）とよりよく一致するようになった。
• Bi₂Te₃では、ディラック点がバルクVBMに対して−0.20 eVから−0.10 eVにシフトし、実験値（−0.13 eV）に近い値となった。
• 準粒子補正により、Γ点における表面状態ギャップが顕著に増大し、厚いスラブではギャップがスケール幅に反比例する1/幅の減衰行動を示した。これは、Bi₂Se₃薄膜における実験測定と整合的であった。
• $GW$に基づく'スケッサーオペレータ'技術により、スラブ系に対して完全な$GW$計算を実施せずに、実験的表面ギャップとディラック点位置を正確に再現できた。
• 準粒子補正によって表面状態のスピン極化度はほとんど変化せず、トポロジカル保護の強靭性が示された。