[논문 리뷰] Square selenene and tellurene: novel group VI elemental 2D semi-Dirac materials and topological insulators

Lede Xian, Alejandro Pérez Paz외 3명|arXiv (Cornell University)|2016. 07. 06.

Graphene research and applications인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 그룹 VIA 원소인 Se와 Te를 위한 새로운 2차원 원소 구조인 정사각형 세렌엔과 텔루렌을 제안한다. 이 구조는 굽은 정사각형 격자를 가지며, 제1원리 계산을 통해 이들은 이방성 반디락 페르미온을 포함하고 있으며, 약 0.1 eV의 스핀-오비트 효과에 의해 유도된 밴드 갭을 가지며 위상적으로 비자명한 상태를 띠며, 이는 2차원 위상적 절연체로서 강건한 스핀-편광된 모서리 상태를 가지며, 스핀트로닉스 응용에 적합하고, Au(100)과 같은 기질 위에서 양육 가능할 것으로 확인된다.

ABSTRACT

With first principles calculations, we predict a novel stable 2D layered structure for group VI elements Se and Te that we call square selenene and square tellurene, respectively. They have chair-like buckled structures similar to other layered materials such as silicene and germanene but with a square unit cell rather than hexagonal. This special structure gives rise to anisotropic band dispersions near the Fermi level that can be described by a generalized semi-Dirac Hamiltonian. We show that the considerably large band gap ($\sim$0.1 eV) opened by spin-orbit coupling makes square selenene and tellurene topological insulators, hosting non-trivial edge states. Therefore, square selenene and tellurene are promising materials for novel electronic and spintronic applications. Finally, we show that this new type of 2D elemental material can potentially be grown on proper substrates, such as a Au(100) surface.

연구 동기 및 목표

• 기존에 보고된 바가 없는 그룹 VIA 원소 Se와 Te에 대해 안정적인 2차원 다층 구조의 존재를 탐색한다.
• 이 새로운 2차원 구조의 전자적 및 위상적 성질을 연구하며, 특히 밴드 분산과 대칭성에 초점을 맞춘다.
• 이 물질들이 시간역전 대칭에 의해 보호되는 비자명한 모서리 상태를 가질 수 있는지 여부를 규명한다.
• Au(100)과 같은 적절한 기질 위에서의 성장 안정성 등을 고려하여 실험적 실현 가능성 평가를 수행한다.

제안 방법

• Se와 Te의 최저 에너지 2차원 구조를 결정하기 위해 밀도함수이론(DFT) 계산을 활용하였으며, 구조 최적화 및 에너지 비교를 수행하였다.
• 열적 안정성을 검증하기 위해 아비시노(AB initio) 격자 진동 분포 및 분자 동역학(MD) 시뮬레이션을 수행하였다.
• 전도대에서의 운동량 의존성 온사이트 에너지와 음의 효과 질량을 캡처하기 위해 일반화된 이방성 반디락 해밀토니안을 사용하여 페르미 수준 근처의 이방성 밴드 분산을 모델링하였다.
• 위상적 위상상태를 결정하기 위해 윌슨 루프 방법을 사용하여 Z2 위상적 불변량을 계산하였으며, 비자명한 위상 상태를 확인하였다.
• 실질적인 밴드 갭 내에서 무가시성 헬리컬 모서리 상태를 직접 관찰하기 위해 넓은 제직형 리본의 DFT 밴드 구조 계산을 수행하였다.
• Au(100) 상에서 정사각형 텔루렌과 나선형 Te 체인의 형성 에너지를 평가하여 기질 유도 안정성 및 성장 가능성에 대해 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기존에 알려진 3D 고체에서의 1D 체인 또는 0D 고리 형태를 띠는 Se와 Te의 일반적인 3D 구조를 고려할 때, 안정적인 2차원 다층 구조가 형성될 수 있는가?
• RQ2 이 새로운 2차원 구조들이 일반화된 반디락 해밀토니안으로 기술할 수 있는 이방성 전자 분산 특성을 가지는가?
• RQ3 정사각형 세렌엔과 텔루렌에서의 스핀-오비트 결합이 충분히 강해 비자명한 위상적 밴드 갭을 열 수 있는가? 이는 2차원 위상적 절연체의 성질을 갖는다.
• RQ4 Au(100)과 같은 적절한 기질 위에서 형성 에너지와 구조적 일치성 고려 사항을 바탕으로 이 2차원 원소 물질들이 안정화되고 성장될 수 있는가?

주요 결과

• 정사각형 세렌엔과 텔루렌은 열역학적으로 안정된 2차원 구조로 예측되며, 굽은 정사각형 격자를 가지며, 격자 진동 및 분자 동역학 시뮬레이션을 통해 확인되었다.
• 페르미 수준 근처의 전자 밴드 구조는 강한 이방성으로 인해 두 개의 갭이 있는 반디락 콘을 나타내며, 운동량 의존성 온사이트 에너지를 포함한 일반화된 반디락 해밀토니안으로 잘 기술된다.
• 스핀-오비트 결합으로 인해 두 물질 모두 약 0.1 eV의 위상적으로 비자명한 밴드 갭이 열리며, 이는 실온에서 양자 스핀 홀 효과를 가능하게 한다.
• Z2 불변량은 두 물질 모두 1로 계산되어 비자명한 위상적 절연체 성질을 확인하였으며, 제직형 리본 계산에서 무가시성 헬리컬 모서리 상태가 관측되었다.
• Au(100) 상에서 정사각형 텔루렌의 형성 에너지는 직사각형 텔루렌보다 0.02 eV/atom 낮아, 이 기질 상에서 더 높은 열역학적 안정성을 나타낸다.
• Au(100) 상에서 Te의 증착은 계산 결과 레이어별로 성장하며, 실험적 고해상도 AFM 관측에서 관찰된 √2×√2 재구성 패턴과 일치하는 정사각형 패턴을 띠며, 실험적 실현 가능성에 대한 지원을 제공한다.