[논문 리뷰] Quantum spin Hall insulators and quantum valley Hall insulators of BiX/SbX (X = H, F, Cl, and Br) monolayers with a record bulk band gap

Zhigang Song, Cheng‐Cheng Liu외 8명|arXiv (Cornell University)|2014. 02. 11.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 35인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 두께가 한 층인 BiX/SbX (X = H, F, Cl, Br) 양자역학적 구조를 제안하며, 정오각형 격자에서 K 및 K' 각도에서 p_x 및 p_y 오비탈의 강한 스핀 궤도 결합에 의해 유도되는 최대 1.08 eV의 기록적인 큰 격자 간극을 갖는 2차원 토폴로지 절연체로 나타난다. 밀도 함수 이론(DFT) 기반의 첫 번째 원리 계산은 비자명한 Z2 토폴로지 구조를 확인하고 안정적인 양자 스핀 홀 효과 및 양자 밸리 홀 효과 상태를 예측하여 실온에서의 스핀트로닉스 및 밸리트로닉스 응용 가능성을 열어준다.

ABSTRACT

Large bulk band gap is critical for application of the quantum spin Hall (QSH) insulator or two dimensional (2D) topological insulator (TI) in spintronic device operating at room temperature (RT). Based on the first-principles calculations, here we predict a group of 2D topological insulators BiX/SbX (X = H, F, Cl, and Br) monolayers with extraordinarily large bulk gaps from 0.32 to a record value of 1.08 eV. These giant-gaps are entirely due to the result of strong spin-orbit interaction related to px and py orbitals of Bi/Sb atoms around the two valley K and K' of honeycomb lattice, which is different significantly from the one consisted of pz orbital just like in graphene/silicene. The topological characteristic of BiX/SbX monolayers is confirmed by the calculated nontrivial Z2 index and an explicit construction of the low energy effective Hamiltonian in these systems. We show that the honeycomb structures of BiX monolayers remain stable even at a temperature of 600 K. These features make the giant-gap TIs BiX/SbX monolayers an ideal platform to realize many exotic phenomena and fabricate new quantum devices operating at RT. Furthermore, biased BiX/SbX monolayers become a quantum valley Hall insulator, showing valley-selective circular dichroism.

연구 동기 및 목표

• 실온에서의 스핀트로닉스 응용에 적합한 큰 격자 간극을 갖는 2차원 토폴로지 절연체를 식별하기 위해.
• 강한 스핀 궤도 결합 하에서 BiX/SbX 계면 (X = H, F, Cl, Br)의 전자적 및 토폴로지적 성질을 조사하기 위해.
• 이 시스템에서의 양자 스핀 홀 및 양자 밸리 홀 상태의 발생을 탐색하기 위해.
• Z2 불변량과 효과적 해밀토니안 구축을 통해 토폴로지적 보호를 확인하기 위해.
• 운영 조건 하에서 정오각형 격자 구조의 열적 안정성을 평가하기 위해.

제안 방법

• 전자 구조 및 간극을 결정하기 위해 첫 번째 원리 밀도 함수 이론(DFT) 계산을 사용하였다.
• BiX/SbX 계면에서 비자명한 토폴로지의 확인을 위해 Z2 토폴로지 불변량을 계산하였다.
• 디랙 유사 분산과 스핀 궤도 결합 효과를 기술하기 위해 저에너지 효과적 해밀토니안을 구축하였다.
• K 및 K' 각도에서 p_x 및 p_y 오비탈의 스핀 궤도 결합 기여도를 분석하였으며, 그래핀과 같은 p_z 지배 시스템과는 다름을 밝혔다.
• 외부 전기장의 영향을 시뮬레이션하여 양자 밸리 홀 상태 및 밸리 선택적 원형 이방성의 유도를 분석하였다.
• 600 K까지의 열적 안정성을 평가하기 위해 진동 분포 및 분자 동역학 시뮬레이션을 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 BiX/SbX 계면은 p 오비탈에서의 강한 스핀 궤도 결합으로 인해 큰 격자 간극을 나타낼 수 있는가?
• RQ2 BiX/SbX 계면의 토폴로지적 성질은 무엇이며, Z2 불변량으로 확인되는가?
• RQ3 K 및 K' 각도에서 p_x 및 p_y 오비탈은 토폴로지 간극 형성에 어떻게 기여하는가?
• RQ4 외부 전기장이 밸리 선택적 광학 반응을 갖는 양자 밸리 홀 상태를 유도할 수 있는가?
• RQ5 정오각형 BiX/SbX 구조는 고온에서 열역학적으로 안정한가?

주요 결과

• BiX/SbX 계면은 0.32 eV에서 최대 1.08 eV까지의 격자 간극을 나타내며, 그래핀 또는 실리센 기반 시스템보다 크게 확대된다.
• 큰 간극은 p_z 오비탈이 아닌 K 및 K' 각도에서 p_x 및 p_y 오비탈의 강한 스핀 궤도 결합에 기인한다.
• 비자명한 Z2 토폴로지 불변량은 이 물질들이 양자 스핀 홀 절연체 상태임을 확인한다.
• 효과적인 저에너지 해밀토니안이 명시적으로 구축되었으며, 스핀 궤도 결합에 의한 디랙 유사 분산과 스핀 분리 효과를 잘 기술한다.
• 정오각형 격자 구조는 600 K까지도 안정되어 있어 높은 열적 내구성을 나타낸다.
• 외부 전기장을 적용함으로써 밸리 선택적 원형 이방성을 갖는 양자 밸리 홀 절연체 상태가 유도된다.