[论文解读] 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 Liu+8 more|arXiv (Cornell University)|Feb 11, 2014

Topological Materials and Phenomena参考文献 35被引用 5

一句话总结

该论文提出BiX/SbX（X = H, F, Cl, Br）单层为二维拓扑绝缘体，其体带隙达到创纪录的1.08 eV，由蜂窝晶格K和K'谷处p_x和p_y轨道的强自旋轨道耦合驱动。第一性原理计算证实了非平庸的Z2拓扑序，并预测了稳定的量子自旋霍尔态和量子谷霍尔态，从而实现室温自旋电子学和谷电子学应用。

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.

研究动机与目标

• 识别具有大体带隙、适用于室温自旋电子学应用的二维拓扑绝缘体。
• 研究BiX/SbX单层（X = H, F, Cl, Br）在强自旋轨道耦合作用下的电子结构与拓扑性质。
• 探索这些体系中量子自旋霍尔态与量子谷霍尔态的出现机制。
• 通过Z2不变量和有效哈密顿量构建确认拓扑保护。
• 评估蜂窝结构在工作条件下的热稳定性。

提出的方法

• 采用第一性原理密度泛函理论（DFT）计算确定电子结构与带隙。
• 计算Z2拓扑不变量以确认BiX/SbX单层中的非平庸拓扑序。
• 构建低能有效哈密顿量，描述狄拉克型能带色散及自旋轨道耦合效应。
• 分析K和K'谷处p_x与p_y轨道对自旋轨道耦合的贡献，与石墨烯等以p_z轨道为主导的体系形成鲜明对比。
• 模拟外加电场的影响，以诱导量子谷霍尔态及谷选择性圆二色性。
• 进行声子色散与分子动力学模拟，评估温度高达600 K时的热稳定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 BiX/SbX单层是否因p轨道中的强自旋轨道耦合而表现出大体带隙？
• RQ2 BiX/SbX单层的拓扑性质为何？是否通过Z2不变量得到证实？
• RQ3 K和K'谷处的p_x与p_y轨道如何贡献于拓扑能隙的形成？
• RQ4 外加电场是否能诱导具有谷选择性光学响应的量子谷霍尔态？
• RQ5 蜂窝结构的BiX/SbX在高温下是否具有热力学稳定性？

主要发现

• BiX/SbX单层表现出0.32 eV至创纪录的1.08 eV的体带隙，显著大于石墨烯或硅烯基体系。
• 大带隙源于K和K'谷处p_x与p_y轨道的强自旋轨道耦合，而非p_z轨道。
• 非平庸的Z2拓扑不变量证实了这些材料中存在量子自旋霍尔绝缘体相。
• 明确构建了低能有效哈密顿量，成功捕捉了狄拉克型色散及自旋轨道耦合引起的自旋分裂。
• 蜂窝结构在高达600 K的温度下仍保持稳定，表明其具有优异的热鲁棒性。
• 施加外电场可诱导出具有谷选择性圆二色性的量子谷霍尔绝缘体相。