[논문 리뷰] Three-Dimensional Real Space Invariants, Obstructed Atomic Insulators and A New Principle for Active Catalytic Sites

Yuanfeng Xu, Luis Elcoro외 8명|arXiv (Cornell University)|2021. 11. 03.

Graphene research and applications인용 수 22

한 줄 요약

이 논문은 스핀-오비트 결합 조건 하에서 1,651개의 숙빈코프 공간군에 대해 삼차원 실공간 불변량(RSIs)을 도입하여 차단된 원자 절연체(OAIs)를 분류한다. 자료베이스에서 3,383개의 반자성 및 30개의 자성 OAIs를 식별하였으며, 이들은 모두 채움 이상 현상과 차단된 표면 상태(OSSs)를 나타낸다. 실험적으로 2H-MoS2 표면의 OSSs가 수소 발생 반응에서 높은 촉매 활성을 이끌어내는 것으로 입증되어, 활성 촉매 중심을 설계하는 데 새로운 원리를 확립한다.

ABSTRACT

Topologically trivial insulators come in two kinds: atomic, where the Wannier charge centers (WCCs) are localized on the atoms, and obstructed atomic, where the WCCs are located away from the atoms. The latter, which can exhibit interesting surface states and possibly have much larger band gaps than the topological insulators, have so far not been classified in three-dimensional (3D) crystalline materials. In this paper, we developed the 3D real space invariants (RSIs) for the 1651 Shubnikov space groups with the spin-orbit coupling and provide the full classification of 3D obstructed atomic insulators (OAIs) by the RSIs. We then apply the theory to the entire database of materials on the Topological Quantum Chemistry website and Topological Magnetic Materials website, obtaining all the OAIs so far existing in nature. We find that, out of the 34013 paramagnetic and 296 magnetic topologically trivial insulators, there are 3383 paramagnetic and 30 magnetic OAIs. All of them present a filling anomaly under certain open-boundary conditions and exhibit obstructed surface states (OSSs). We further refine the atomic insulator concept to obtain the orbital-selected OAIs (OOAIs), where the WCC of the system is located at a Wyckoff position occupied by an atom but forms a symmetric representation that does not belong to the outer-shell electrons of the given atom. In such a way, we obtain a further 121 OOAIs. Furthermore, we analyze the catalytic properties of one of the OAIs in a "proof of principle" experiment. By using the single crystal of 2H-MoS2 as a hydrogen evolution catalyst, we directly prove that the catalytic activities arise from the surfaces with OSSs. Additional potential applications of the 3D RSIs and OAIs in, for example, electrochemistry, asymmetric catalysis, superconductivity, and Josephson diode will be discussed.

연구 동기 및 목표

• 스핀-오비트 결합 조건 하에서 1,651개의 숙빈코프 공간군 전역에 대해 실공간 불변량(RSIs)을 사용하여 삼차원 차단된 원자 절연체(OAIs)를 분류하는 것.
• 자연계에 존재하는 모든 반자성 및 자성 위상적으로 비틀림이 없는 절연체 중에서 채움 이상 현상과 차단된 표면 상태(OSSs)를 나타내는 물질을 식별하는 것.
• OAIs에서의 차단된 표면 상태(OSSs)가 이종 촉매에서 향상된 촉매 활성과 연결되는 새로운 원리를 확립하는 것.
• Wannier 중심이 외부 전자껍질 전자 구성과 일치하지 않는 대칭 표현을 형성하는 궤도 선택 OAIs(OOAIs)를 도입함으로써 원자 절연체 개념을 보완하는 것.
• 2H-MoS2에서의 촉매 활성이 OSSs를 갖는 표면에서 기인한다는 것을 실험적으로 검증하여 전자 위상과 촉매 기능을 연결하는 것.

제안 방법

• 모든 1,651개의 숙빈코프 공간군에 대해 삼차원 실공간 불변량(RSIs)을 개발하여 스핀-오비트 결합 조건 하에서 차단된 원자 절연체(OAIs)를 분류하는 데 사용하였다.
• 위상적 양자 화학(TQC) 이론과 대칭 지표를 활용하여 Topological Quantum Chemistry 및 Topological Magnetic Materials 웹사이트에서 제공하는 전체 재료 데이터베이스를 분석하였다.
• Wannier 전하 중심(WCCs)을 계산하고, 이들이 유크오프 위치에 국소화되어 있음을 확인함으로써 비자명한 RSIs를 통해 OAIs를 식별하였다.
• Wannier 중심 위치와 대칭 분석을 기반으로 한 밀러 지수를 활용하여 금속적 OSSs를 나타내는 분열면을 식별하였다.
• 구성 원자의 원자 전자껍질 구성과 일치하지 않는 WCCs의 대칭 표현을 분석함으로써 궤도 선택 OAIs(OOAIs)를 도입하였다.
• 고품질 단일결정 2H-MoS2를 사용한 원리 검증 실험을 수행하여 표면 전자 상태(OSSs)와 수소 발생 반응(HER) 촉매 활성 간의 상관관계를 규명하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스핀-오비트 결합 조건 하에서 실공간 불변량(RSIs)을 사용하여 모든 숙빈코프 공간군에 대해 삼차원 차단된 원자 절연체(OAIs)를 완전히 분류할 수 있는가?
• RQ2 자연계에 존재하는 반자성 및 자성 위상적으로 비틀림이 없는 절연체 중에서 채움 이상 현상과 차단된 표면 상태(OSSs)를 나타내는 물질은 무엇인가?
• RQ3 OAIs에서의 차단된 표면 상태(OSSs)가 이종 촉매에서 높은 촉매 활성의 근원이 될 수 있는가?
• RQ4 Wannier 중심이 위치한 원자의 외부 전자껍질 전자 구성과 일치하지 않는 대칭 표현을 형성하는 궤도 선택 OAIs(OOAIs)를 식별하기 위해 원자 절연체 개념을 어떻게 보완할 수 있는가?
• RQ5 2H-MoS2의 전자 표면 상태 중 예측된 OSSs는 실험적으로 측정된 수소 발생 반응(HER) 활성과 어느 정도 상관관계를 가지는가?

주요 결과

• 34,013개의 반자성 및 296개의 자성 위상적으로 비틀림이 없는 절연체 중에서 3,383개는 반자성 OAIs, 30개는 자성 OAIs이며, 모두 개방 경계 조건 하에서 채움 이상 현상을 나타낸다.
• 식별된 모든 OAIs는 차단된 표면 상태(OSSs)를 나타내며, 특정 분열면(밀러 지수로 표기됨)에서 금속적 표면 상태를 보이며, 이 중에서 나선형 표면 군집은 상위 숫자 'c'로 표기된다.
• 추가로 121개의 궤도 선택 OAIs(OOAIs)를 식별하였으며, 이들은 위치한 원자의 외부 전자껍질 전자 구성과 일치하지 않는 대칭 표현을 형성하는 Wannier 중심으로 구성된다.
• 원리 검증 실험에서 OSSs를 표면에 갖는 2H-MoS2 단일결정은 높은 수소 발생 반응(HER) 활성을 나타내었으며, 이는 직접적으로 OSSs가 촉매 기능과 연결됨을 입증한다.
• 식별된 OAIs의 밴드 갭은 0.000 eV에서 3.842 eV까지 다양하며, 일부는 큰 갭(예: CoAl2O4에서 3.842 eV)을 나타내어 안정적이고 고성능 촉매 재료로서의 잠재성을 보여준다.
• 실공간 불변량(RSIs)은 모든 1,651개의 숙빈코프 공간군에 걸쳐 OAIs를 성공적으로 분류하였으며, 삼차원 결정성 재료에서 차단된 원자 절연체의 완전한 위상적 목록을 확보하는 데 기여하였다.