[논문 리뷰] Built-in electric field and strain tunable valley-related multiple topological phase transitions in VSiXN$_4$ (X= C, Si, Ge, Sn, Pb) monolayers

Ping Li, Xiao Yang외 3명|arXiv (Cornell University)|2023. 05. 23.

Electronic and Structural Properties of Oxides인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 VSiXN4 (X = C, Si, Ge, Sn, Pb) 모노레이어의 첫 원리 연구를 보고하며, 고유 내장 전기장과 인가된 변형이 K와 K' 밸리에서 dxy/dx2−y2 및 dz2 밴드 역전으로 밸리 의존적 다중 토폴로지 상전이를 유도한다.

ABSTRACT

The valley-related multiple topological phase transitions attracted significant attention due to their providing significant opportunities for fundamental research and practical applications. However, unfortunately, to date there is no real material that can realize valley-related multiple topological phase transitions. Here, through first-principles calculations and model analysis, we investigate the structural, magnetic, electronic, and topological properties of VSiXN$_4$ (X = C, Si, Ge, Sn, Pb) monolayers. VSiXN$_4$ monolayers are stable and intrinsically ferrovalley materials. Intriguingly, we found that the built-in electric field and strain can induce valley-related multiple topological phase transitions in the materials from valley semiconductor to valley-half-semimetal, to valley quantum anomalous Hall insulator, to valley-half-semimetal, and to valley semiconductor (or to valley-metal). The nature of topological phase transition is the built-in electric field and strain induce band inversion between the d$_{xy}$/d$_{x2-y2}$ and d$_{z2}$ at obritals at K and K' valleys. Our findings not only reveal the mechanism of multiple topological phase transitions, but also provides an ideal platform for the multi-field manipulating the spin, valley, and topological physics. It will open new perspectives for spintronic, valleytronic, and topological nanoelectronic applications based on these materials.

연구 동기 및 목표

• VSiXN4 (X = C, Si, Ge, Sn, Pb) 모노레이어의 구조적, 자기적, 전자적 및 토폴로지 특성 탐구.
• 내장 전기장과 변형이 밸리 극화 및 토폴로지에 미치는 영향 식별.
• 이 차원 재료에서 스핀, 밸리, 토폴로지 상태의 다중 필드 제어 시연.

제안 방법

• 구조적, 자기적 및 전자적 특성에 대해 VASP를 사용한 GGA-PBE 및 GGA+U(Ueff = 1–4 eV)로 DFT 계산 수행.
• HSE06 계산으로 결과를 검증.
• 맥시멈 로컬화된 Wannier 함수와 WannierTools를 사용해 Berry 곡률과 경계 상태 계산.
• 내장 필드와 변형에 따른 자기이방성에너지(MAE) 추정 및 의 의존성 분석.
• K와 K' 밸리 근처에서 effective H_SOC를 사용해 밸리 분리 현상의 SOC 효과 모델링.

Figure 1: (a) The top and side views of the crystal structure for VSiXN 4 (X = C, Si, Ge, Sn, Pb) monolayers. The red, gray, blue and green balls represent V, N, Si, and X elements, respectively. (b) The Brillouin zone (BZ) of the honeycomb lattice with the reciprocal lattice vectors $\vec{b}_{1}$ a

실험 결과

연구 질문

• RQ1 VSiXN4 모노레이어가 고유 자성을 가진 Ferrovalley 거동을 구현할 수 있는가?
• RQ2 내장 전기장과 변형이 밸리 의존적 밴드 역전 및 토폴로지 상전이를 어떻게 유도하는가?
• RQ3 다양한 X 원소, 전기장 및 변형에서 밸리 분리, Berry 곡률 및 경계 상태는 어떠한가?
• RQ4 밸리 양자 이상 홀 절연(VQAHI) 또는 밸리-금속/밸리-준금속 상이 나타날 수 있는 변형 범위가 있는가?
• RQ5 VSiXN4 계열 전반에서 밴드 역전 메커니즘의 보편성은 어느 정도인가?

주요 결과

• VSiXN4 모노레이어는 동적 안정하며 X = C, Si, Ge, Sn일 때 FM 기초상태를 갖는 내재적 Ferrovalley를 가지며; VSiPbN4는 약간 더 큰 자기 모멘트(1.09 μB)를 보인다.
• 내장 전기장은 X에 따라 다르며, 예를 들어 VSiCN4 ≈ 0.36 V/Å, VSiGeN4 ≈ 0.00 V/Å, VSiSnN4 ≈ 0.26 V/Å, VSiPbN4 ≈ 0.31 V/Å이며, 이들 전장은 자기 이방성 에너지 추세와 상관관계가 있다.
• SOC가 없는 경우 K 및 K′ 밸리가 스핀 업 밴드를 호스팅하고, SOC를 포함시키면 여러 조성에서 밸리 분리 현상이 전자 밴드에서 발생하며, E_v^K − E_v^K′ 최대 70.17 meV 및 E_c^K − E_c^K′ 최대 72.45 meV( X에 따라 다름 ).
• VSiGeN4는 VBM과 CBM이 디리칸 콘을 형성하는 임계점이며, 내장 필드 하에서 SOC 유도 밴드 역전이 밸리 관련 토폴로지 상전으로 이어진다.
• 변형은 밸리 반도체 → 밸리 절반 준금속 → 밸리 양자 이상 홀 절연(VQAHI) → 밸리 절반 준금속 → 밸리 반도체의 순서를 유도할 수 있으며, 이 과정에서 K와 K′ Berry 곡률의 부호가 반전된다.
• 에지 상태 분석 결과 VSiGeN4만이 토폴로지적으로 비정상적(밴드 사이에 단일 에지 상태)인 경우가 존재한다.
• 특정 변형 하에서 밸리 편극 홀 전도도가 나타나 밸리 및 스핀 편극 운송과 잠재적 밸리트로닉 디바이스 응용 가능성을 시사한다.

Figure 2: (a) Spin charge densities with spin directions are indicated (yellow and cyan correspond to the spin up and spin down, respectively). The isovalue surface level is at 0.005 e/ $\rm\AA$ 3 . (b) Calculated total energies of VSiXN 4 different magnetic structures, which is defined relative to