[논문 리뷰] Computational study of heavy group IV elements (Ge, Sn, Pb) triangular lattice atomic layers on SiC(0001) surface

Anton Visikovskiy, Shingo Hayashi외 4명|arXiv (Cornell University)|2018. 09. 04.

Semiconductor materials and devices인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 Ge, Sn, Pb의 고밀도 삼각형 격자 원자층(TLAL)이 SiC(0001) 상면에서 안정적으로 존재하며 T1 결합 부위를 선호함을 밝혀낸다. 주요 발견은 부분 전자 밀도의 대칭성 붕괴로 인해 라슈바-유사 및 제이먼-유사 스핀 분극이 공존한다는 점으로, p_x+p_y 밴드는 제이먼-유사 분열을 보이고, p_z 밴드는 K 점 근처에서 라슈바-유사 스핀 휠린드를 나타낸다.

ABSTRACT

Group IV heavy elements atomic layers are expected to show an interesting physical properties due to their large spin-orbit coupling (SOC). Using density functional theory (DFT) calculations with/without SOC we investigate the variation of group IV heavy elements overlayers, namely dense triangular lattice atomic layers (TLAL) on the surface of SiC(0001) semiconductor. The possibility of such layers formation and their properties have not been addressed before. Here we show, that these layers may indeed be stable and, owing to peculiar bonding configuration, exhibit robust Dirac-like energy bands originating from $p_x+p_y$ orbitals and localized mostly within the layer, and $p_z$ band localized outside the layer and interacting with SiC substrate. We found that a $T_1$ adsorption site is most favorable for such TLAL structure and this results in an unusual SOC-induced spin polarization of the states around $\bar{K}$ points of Brillouin zone, namely the coexistence of Rashba- and Zeeman-like spin polarization of different states. We explain this phenomena in terms of symmetry of partial electronic density rather than symmetry of atomic structure.

연구 동기 및 목표

• 중성자기족 IV 원소(Ge, Sn, Pb)의 고밀도 삼각형 격자 원자층(TLAL)이 SiC(0001) 표면에서의 안정성과 전자 구조를 조사하기 위해.
• 흡착물 농도가 높은 조건에서 TLAL 형성에 가장 유리한 흡착 부위(T1, T4, H3)를 규명하기 위해.
• 스핀-오비트 결합(SOC)이 이러한 시스템에서 고유한 스핀 분극 상태를 유도하는 역할을 탐색하기 위해.
• 원자 구조 대칭성 외에 부분 전자 밀도의 대칭성에 기반한 비정상적인 스핀 분열 행동의 기원을 이해하기 위해.
• 스핀 텍스처와 밴드 분산을 결정하는 평면 내 p_x+p_y 및 평면 외 p_z 밴드 간의 상호작용을 명확히 하기 위해.

제안 방법

• 스핀-오비트 결합(SOC) 유무에 따라 밀도 함수 이론(DFT) 계산을 수행하여 구조적 안정성과 전자적 성질을 평가하였다.
• Ge, Sn, Pb에 대해 다양한 흡착 부위(T1, T4, H3)를 체계적으로 평가하여 가장 안정한 구조를 도출하였다.
• 브릴루앙 존의 K 점 근처에서 밴드 구조와 스핀 분열 패tern을 분석하여 라슈바-유사 및 제이먼-유사 행동을 식별하였다.
• p_x+p_y 및 p_z 오비탈의 부분 전자 밀도 분포를 분석하여 대칭성과 스핀 분극 유형 간의 상관관계를 규명하였다.
• 수소화된 TLAL 및 SiC 이중층 모델을 사용하여 기초 표면 대칭성이 전자 밀도 재구성에 미치는 영향을 분리하여 분석하였다.
• 이dealized p6mm 대칭층과 기초 표면 결합 시스템을 비교하여 대칭성 붕괴가 스핀 텍스처에 미치는 영향을 밝혀내었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Ge, Sn, Pb의 고밀도 삼각형 격자 원자층(TLAL)은 SiC(0001) 상면에서 안정적으로 형성될 수 있으며, 가장 유리한 흡착 부위는 무엇인가?
• RQ2 스핀-오비트 결합(SOC)은 이러한 TLAL 시스템의 전자 밴드 스핀 분극에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 유사한 원자 환경을 공유하고 있음에도 불구하고 p_x+p_y 및 p_z 유래 밴드가 서로 다른 스핀 분열 유형(제이먼-유사 대비 라슈바-유사)을 보이는 이유는 무엇인가?
• RQ4 원자 격자 대칭성 외에 부분 전자 밀도의 대칭성이 SOC에 의해 유도된 스핀 분열의 성격을 결정하는 데 얼마나 기여하는가?
• RQ5 기초 표면 상호작용이 대칭성을 깨뜨리고, 라슈바-유사 및 제이먼-유사 스핀 분극이 공존하도록 하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• Ge 및 Sn의 TLAL 형성에 있어 T1 흡착 부위가 가장 유리하며, 흡착물 농도가 높은 조건에서 안정적인 (1×1) 구조를 형성한다.
• Pb의 경우 더 큰 원자 반지름으로 인해 굽은 형태의 (sqrt(3)×sqrt(3)) 구조가 안정적이지만, 전자적 성질은 이 주기성에 크게 영향을 받지 않는다.
• K 점 근처의 p_x+p_y 밴드는 기초 표면에 의한 대칭성 붕괴로 인해 발생하는 p3m1 대칭성을 가진 부분 전자 밀도로 인해 제이먼-유사 스핀 분열을 나타낸다.
• Fermi 수준 근처의 p_z 유래 밴드는 T1 부위에 흡착되었을 때 유지된 p6mm 대칭성을 가진 부분 밀도로 인해 라슈바-유사 스핀 분극과 스핀 휠린드를 나타낸다.
• 다른 오비탈(p_x+p_y 대비 p_z)이 기초 표면으로부터 다른 대칭 환경을 경험함으로써, 라슈바-유사 및 제이먼-유사 스핀 분열이 공존한다.
• 스핀 분열의 기원은 전체 원자 격자 대칭성보다 부분 전자 밀도의 대칭성에 기인하며, 이는 2차원 시스템에서 SOC 메커니즘에 대한 핵심 통찰을 제공한다.