[論文レビュー] 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 Yang+3 more|arXiv (Cornell University)|May 23, 2023

Electronic and Structural Properties of Oxides被引用数 10

ひとこと要約

本論文は、VSiXN4（X = C、Si、Ge、Sn、Pb）モノレイヤーの第一原理研究を報告し、固有の内蔵電場と印加ひずみが、KおよびK'谷でのdxy/dx2−y2およびdz2のバンド反転を介して、谷依存の複数のトポロジー相転移を駆動することを示している。

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.

研究の動機と目的

• VSiXN4（X = C、Si、Ge、Sn、Pb）モノレイヤーの構造・磁性・電子・トポロジー特性を探求する。
• 内蔵電場とひずみが谷分極とトポロジーに与える影響を解明する。
• これらの2D材料におけるスピン・谷・トポロジー状態の多場制御を実証する。

提案手法

• 構造・磁性・電子特性のために、VASPを用いてGGA-PBEおよびGGA+U（Ueff = 1–4 eV）でDFT計算を実施する。
• 結果をHSE06計算で検証する。
• 最大局在化ウェアン関数とWannierToolsを用いてベルリ曲率とエッジ状態を計算する。
• 磁気異方性エネルギー（MAE）を抽出し、内蔵場とひずみの依存性を分析する。
• KおよびK'谷付近の有効スピン軌道相互作用ハミルトニアン H_SOC を用いて、谷分解へのSOC効果をモデル化する。

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

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 VSiXN4モノレイヤーは固有磁性を持つフェロバレー挙動を示し得るか？
• RQ2 内蔵電場とひずみはどのように谷依存のバンド反転とトポロジー相転移を駆動するのか？
• RQ3 異なるX種、電場、ひずみの下で得られる谷分裂、ベル曲率、エッジ状態はどのようになるか？
• RQ4 谷量子異常ホール絶縁（VQAHI）や谷金属/谷半金属相が現れるひずみ範囲は存在するか？
• RQ5 VSiXN4ファミリー全体でバンド反転機構の普遍性はどの程度か？

主な発見

• VSiXN4モノレイヤーは力学的に安定で、X = C, Si, Ge, Sn に対して自発的フェロバレーを持つFM基底状態である；VSiPbN4は磁気モーメントがやや大きく、(1.09 μB)である。
• 内蔵電場はXによって異なり、例: VSiCN4 ≈ 0.36 V/Å、VSiGeN4 ≈ 0.00 V/Å、VSiSnN4 ≈ 0.26 V/Å、VSiPbN4 ≈ 0.31 V/Å であり、これらの場は磁気異方性エネルギーの傾向と相関する。
• SOCなしでは、KおよびK′谷はスピンアップバンドを保持する；SOCありの場合、いくつかの組成で価電子帯に谷分解が生じ、E_v^K − E_v^K′ は最大で70.17 meV、E_c^K − E_c^K′ は最大で72.45 meV（Xにより異なる）。
• VSiGeN4はVBMとCBMがディラック円錐を形成する臨界点であり、内蔵場下でのSOC誘導のバンド反転が谷関連のトポロジー転移をもたらす。
• ひずみは次の順序を駆動できる：谷半導体 → 谷半半金属 → 谷量子異常ホール絶縁体（VQAHI） → 谷半導体金属→谷半導体；この遷移の間にKおよびK′の Berry 曲率の符号が反転する。
• エッジ状態解析は、VSiGeN4のみがトポロジカルに非自明になり得る（バンド間に1つのエッジ状態）ことを示す。
• 特定のひずみ下で谷偏極ホール伝導が現れ、谷およびスピン偏Polarized transported and potential valleytronic device applications.

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