[論文レビュー] Square selenene and tellurene: novel group VI elemental 2D semi-Dirac materials and topological insulators

Lede Xian, Alejandro Pérez Paz+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 6, 2016

Graphene research and applications被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、セレンとテルルのための新しい2次元元素構造体、正方形セレンネンと正方形テルルネンを提案する。これらは、バクルト正方格子を持つ。第一原理計算により、異方的半ディラックフェルミオンを示し、約0.1 eVのスピン軌道効果由来のバンドギャップを有するトポロジカルに非自明な相を示す。これは、スピン偏極状態を有する強固なエッジ状態を有する2次元トポロジカル絶縁体であることを確認し、スピントロニクス応用に適しており、Au(100)などの基板上でも成長可能である可能性を示している。

ABSTRACT

With first principles calculations, we predict a novel stable 2D layered structure for group VI elements Se and Te that we call square selenene and square tellurene, respectively. They have chair-like buckled structures similar to other layered materials such as silicene and germanene but with a square unit cell rather than hexagonal. This special structure gives rise to anisotropic band dispersions near the Fermi level that can be described by a generalized semi-Dirac Hamiltonian. We show that the considerably large band gap ($\sim$0.1 eV) opened by spin-orbit coupling makes square selenene and tellurene topological insulators, hosting non-trivial edge states. Therefore, square selenene and tellurene are promising materials for novel electronic and spintronic applications. Finally, we show that this new type of 2D elemental material can potentially be grown on proper substrates, such as a Au(100) surface.

研究の動機と目的

• グループVIの元素SeとTeに対して、これまで報告のない安定な2次元層状構造が存在するかを調査すること。
• これらの新規2次元構造の電子的およびトポロジカル特性、特にバンド分散と対称性を調査すること。
• これらの材料が時間反転対称性によって保護された非自明なエッジ状態を有するトポロジカル絶縁体としての性質を示すかどうかを特定すること。
• Au(100)などの適切な基板上での成長安定性を検討することで、実験的実現可能性を評価すること。

提案手法

• SeおよびTeの最低エネルギー2次元構造を特定するために密度汎関数理論（DFT）計算を用い、構造最適化とエネルギー比較を実施した。
• 熱安定性の確認のため、ab initioフォノン分散および分子動力学（MD）シミュレーションを実施した。
• フェルミ準位近くの異方的バンド分散をモデル化するため、一般化された半ディラックハミルトニアンを用い、局所エネルギーの運動量依存性および伝導帯における負の有効質量を捉えた。
• ウィルソンループ法を用いてZ2トポロジカル不変量を計算し、トポロジカル相を特定し、非自明なトポロジーを確認した。
• 幅広いザイフルスリーブのバンド構造計算により、バルクバンドギャップ内にギャップレスのヘリカルエッジ状態を直接観測した。
• Au(100)上での正方形テルルネンとヘリカルTe鎖の生成エネルギーを評価し、基板駆動による安定化および成長可能性を検討した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 3次元体相が1次元鎖または0次元ループを有するセレンとテルルに対して、安定な2次元層状構造が形成可能か？
• RQ2 これらの新規2次元構造が、一般化された半ディラックハミルトニアンで記述可能な異方的電子的分散を示すか？
• RQ3 正方形セレンネンおよび正方形テルルネンにおけるスピン軌道相互作用が、トポロジカルに非自明なバンドギャップを形成するのに十分か？これにより2次元トポロジカル絶縁体としての性質を示すか？
• RQ4 生成エネルギーおよび構造的整合性の観点から、Au(100)などの適切な基板上での安定化および成長が可能か？

主な発見

• 正方形セレンネンおよび正方形テルルネンは、フォノンおよび分子動力学シミュレーションにより、熱力学的に安定な2次元構造として予測され、バクルト正方格子を持つことが確認された。
• フェルミ準位近くの電子バンド構造は、強い異方性を示す2つのギャップ付き半ディラックコーンを有し、運動量に依存する局所エネルギーを含む一般化された半ディラックハミルトニアンにより良好に記述できる。
• スピン軌道相互作用により、両材料に約0.1 eVのトポロジカルに非自明なバンドギャップが開き、室温での量子スピンホール効果を可能にする。
• 両材料のZ2不変量は1に計算され、トポロジカル絶縁体の性質が確認された。また、ザイフルスリーブ計算でギャップレスのヘリカルエッジ状態が観測された。
• Au(100)上での正方形テルルネンの生成エネルギーは、長方形テルルネンよりも0.02 eV/原子低いことから、この基板上での熱力学的安定性が高まっていることが示された。
• Au(100)上でのTeの蒸着は、実験的高分解能AFM観察で観測された√2×√2再構成と一致する正方格子パターンで、層状成長が予測され、実験的実現可能性が支持された。