[논문 리뷰] NiCl3 Monolayer: Dirac Spin-Gapless Semiconductor and Chern Insulator

Junjie He, Xiao Li외 2명|arXiv (Cornell University)|2016. 10. 03.

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한 줄 요약

이 논문은 스핀-오비트 결합을 포함할 경우 임의의 고온에서의 자성(약 400 K)과 큰 비자명한 치르너 절연체 갭(~24 meV)을 가지며, 새로운 디랙 스핀-간극 없는 반도체인 NiCl3 이중층을 제안한다. 이는 실온 근처에서 양자 비정상 홀 효과의 잠재적 실현 가능성을 제공한다. 이 물질은 높은 디랙 페르미온 이동도(~4×10⁵ m/s)를 보이며, 스핀트로닉스 응용 분야에서 유망한 후보이다.

ABSTRACT

The great obstacle for practical applications of the quantum anomalous Hall (QAH) effect is the lack of suitable QAH materials (Chern insulators) with large non-trivial band gap, room-temperature magnetic order and high carrier mobility. The Nickle chloride (NiCl3) monolayer characteristics are investigated herein using first-principles calculations. It is reported that NiCl3 monolayers constitute a new class of Dirac materials with Dirac spin-gapless semiconducting and high-temperature ferromagnetism (~400K). Taking into account the spin-orbit coupling, the NiCl3 monolayer becomes an intrinsic insulator with a large non-trivial band gap of ~24 meV, corresponding to an operating temperature as high as ~280K at which the quantum anomalous Hall effect could be observed. The calculated large non-trivial gap, high Curie temperature and single-spin Dirac states reported herein for the NiCl3 monolayer lead us to propose that this material give a great promise for potential realization of a near-room temperature QAH effect and potential applications in spintronics. Last but not least the calculated Fermi velocities of Dirac fermion of about 4x105 m/s indicate very high mobility in NiCl3 monolayers.

연구 동기 및 목표

• 실온 응용에 적합한 내재된 고온 자성과 큰 비자명한 밴드 갭을 지닌 새로운 2차원 물질을 식별하기 위해.
• 제1원리 계산을 이용해 NiCl3 이중층의 전자적 및 자기적 성질을 연구하기 위해.
• 높은 운반자 이동도와 견고한 위상적 질서를 지닌 스핀트로닉스 장치 플랫폼으로서 NiCl3 이중층의 잠재성을 탐색하기 위해.
• 스핀-오비트 결합 하에서 물질이 디랙 스핀-간극 없는 반도체 행동과 치르너 절연체 특성을 나타내는지 확인하기 위해.

제안 방법

• NiCl3 이중층의 전자적 및 자기적 구조를 연구하기 위해 제1원리 밀도함수이론(DFT) 계산을 사용하였다.
• 스핀-오비트 결합을 체계적으로 포함하여 밴드 갭 형성과 위상적 성질에 미치는 영향을 평가하였다.
• 디랙 콘 형성과 스핀-간극 없는 반도체 행동을 확인하기 위해 밴드 구조 및 스핀 텍스처를 분석하였다.
• 자기적 열 안정성을 평가하기 위해 평균장 RKKY 모델을 사용해 희망 전이 온도를 추정하였다.
• 운반자 이동도를 정량화하기 위해 디랙 페르미온의 페르미 속도를 계산하였다.
• 치르너 절연체 상을 확인하기 위해 위상적 불변량과 치르너 수를 계산하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 NiCl3 이중층은 실온 응용에 적합한 고온에서의 내재된 자성을 나타낼 수 있는가?
• RQ2 NiCl3 이중층은 스핀-오비트 결합 없이도 페르미 수준에서 선형 밴드 분산과 스핀 디제너레이션된 디랙 콘을 보이는가?
• RQ3 스핀-오비트 결합을 포함할 경우 NiCl3 이중층의 비자명한 밴드 갭의 크기는 얼마인가?
• RQ4 비영인 치르너 수에 의해 유도된 양자화된 홀 전도도를 갖는가? 이는 치르너 절연체 상을 나타내는가?
• RQ5 NiCl3에서 디랙 페르미온의 페르미 속도는 얼마이며, 이는 운반자 이동도에 어떤 의미를 갖는가?

주요 결과

• NiCl3 이중층는 약 400 K의 고온 자성을 나타내며, 이는 높은 희망 전이 온도를 의미한다.
• 스핀-오비트 결합이 없는 상태에서, 물질은 선형 밴드 분산과 페르미 수준에서 스핀 디제너레이션된 디랙 콘을 보이며, 디랙 스핀-간극 없는 반도체 행동을 나타낸다.
• 스핀-오비트 결합을 포함하면 약 ~24 meV의 큰 비자명한 밴드 갭이 열리며, 이는 위상적으로 비자명한 치르너 절연체 상을 나타낸다.
• 비영인 치르너 수에 의해 확인된 양자화된 홀 전도도를 지녀, 이는 치르너 절연체 상임을 입증한다.
• 디랙 페르미온의 페르미 속도는 약 ~4×10⁵ m/s로 계산되었으며, 매우 높은 운반자 이동도를 의미한다.
• 양자 비정상 홀 효과의 작동 온도는 약 ~280 K로 추정되었으며, 실온에 가까운 온도임을 시사한다.