[論文レビュー] Structural, elastic, electronic, bonding, and optical properties of topological CaSn3 semimetal

M. I. Naher, S. H. Naqib|arXiv (Cornell University)|Dec 28, 2019

Topological Materials and Phenomena参考文献 2被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、密度汎関数理論を用いて、トポロジカルなCaSn3半金属の構造的・電子的・弾性的・結合的・光学的性質を調査した。半金属性のバンド構造がフェルミ準位近くでデルタコーンに類似した分散を示し、擬似ギャップのおかげで顕著な電子的安定性を示し、赤外線から紫外線にわたる広い波長範囲で高い反射率を示し、可視光〜赤外線領域で高い屈折率を示す。これは、反射被膜やUV吸収に適した強力な金属的・光学活性的挙動を示している。

ABSTRACT

The topological Weyl semimetal CaSn3, belonging to the AuCu3 type cubic structure, is an important electronic system to investigate both from the point of view of fundamental physics and prospective applications. In this work, we have studied the structural, elastic, mechanical, electronic, bonding, Fermi surface and optical properties of CaSn3 in detail using the density functional theory. A comprehensive study of elastic constants and moduli shows that CaSn3 possesses low level of elastic anisotropy, reasonably good machinability, mixed bonding characteristics with ionic and covalent contributions, brittle nature and relatively high Vickers hardness with a low Debye temperature. Analysis of bond population supports the bonding nature as indicated by the elastic parameters. The bulk electronic band structure reveals clear semimetallic features with signature Dirac cone-like dispersions near the Fermi level. A pseudogap in the electronic energy density of states at the Fermi level separating the bonding and the antibonding peaks points towards significant electronic stability of cubic CaSn3. The Fermi surface mostly consists of electron-like sheets with very few small hole pockets. The band structure is fairly isotropic in the k-space. The optical constants show interesting characteristics. The reflectivity spectra show almost non-selective behavior over a wide range of photon energy encompassing infrared to mid-ultraviolet regions. High reflectivity over wide spectral range makes CaSn3 a suitable material for reflecting coating. CaSn3 is an efficient absorber of ultraviolet radiation. The refractive index is very high in the infrared to visible range. All the energy dependent optical parameters exhibit clear metallic signatures and are in complete accord with the underlying bulk electronic density of states calculations.

研究の動機と目的

• CaSn3の構造的および弾性的性質を調査すること。これは立方晶AuCu3構造を有するトポロジカルWeyl半金属である。
• トポロジカル特性を特定するため、電子バンド構造およびフェルミ準位のトポロジーを分析すること。
• 電子密度および結合集団解析を通じて結合の性質を評価すること。
• 紫外線から赤外線にわたる範囲の反射率、屈折率、吸収係数などの光学的性質を検討すること。
• 機械的性質（硬度、破壊性）が電子的および結合的特性とどのように関連しているかを明らかにすること。

提案手法

• 電子的構造計算に一般化勾配上昇近似（GGA）を用いた密度汎関数理論（DFT）
• 弾性定数および弾性率の計算により、機械的安定性および異方性を評価
• 電子状態密度（DOS）およびバンド構造の解析により、半金属的およびトポロジカルな特徴を同定
• フェルミ準位のトポロジーおよび電子・正孔ポケットの特徴を評価
• 虚数部の誘電関数から得られる反射率、屈折率、誘電関数などの光学定数を計算
• 結合集団解析により、化学結合におけるイオン性および共有性寄与を定量化

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CaSn3の電子的バンド構造は何か？フェルミ準位近くにデルタ型の分散を示し、トポロジカル半金属的性質を示すか？
• RQ2 弾性定数および機械的性質は、CaSn3の結合性質および破壊性をどのように反映しているか？
• RQ3 CaSn3における化学結合の性質は何か？イオン性および共有性寄与は安定性にどのように寄与しているか？
• RQ4 CaSn3の光学的応答は紫外線から赤外線にわたるスペクトル範囲でどのように変化するか？光エレクトロニクス分野での応用可能性は何か？
• RQ5 フェルミ準位におけるDOSの擬似ギャップは、CaSn3の電子的安定性にどの程度寄与しているか？

主な発見

• CaSn3はフェルミ準位近くに明確なデルタコーンに類似した分散を示す半金属的バンド構造を示し、トポロジカル半金属的性質が確認された。
• フェルミ準位における電子状態密度の擬似ギャップが、結合状態と反結合状態を分離しており、顕著な電子的安定性を示している。
• フェルミ表面は主に電子的性質のシートで構成されており、わずかな正孔ポケットを有する。バンド構造はk空間において中程度の等方性を示している。
• 赤外線から中程度の紫外線にわたる広いスペクトル範囲で、反射率が高く、選択的でない。これは、反射被膜に適している。
• 可視光〜赤外線領域で屈折率が非常に高く、金属的光学挙動と整合的である。
• すべてのエネルギー依存性光学パラメータが明確な金属的シグネチャーを示しており、体積電子状態密度と非常に良好に一致している。