[論文レビュー] Structure-driven intercalated architecture of septuple-atomic-layer $MA_2Z_4$ family with diverse properties from semiconductor to topological insulator to Ising superconductor

Lei Wang, Yongpeng Shi+9 more|arXiv (Cornell University)|Aug 7, 2020

Topological Materials and Phenomena被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、MoS₂型の$MZ_2$をInSe型の$A_2Z_2$にインターカレーションすることで、七原子層構造を有する新しい$MA_2Z_4$単層の構造駆動型設計戦略を提案し、バリオン電子数に応じて半導体からトポロジカル絶縁体、イジング超伝導体にまで広がるチューナブルな電子的性質を示す66種の熱力学的および動的安定な材料を予測した。主な貢献は、2次元材料における構造、組成、および出現する量子臨界現象を結びつける統一的なフレームワークの確立である。

ABSTRACT

Motivated by the fact that septuple-atomic-layer MnBi$_2$Te$_4$ can be structurally viewed as the combination of double-atomic-layer MnTe intercalating into quintuple-atomic-layer Bi$_2$Te$_3$, we present a general approach of constructing twelve septuple-atomic-layer $α_i$- and $β_i$-$MA_2Z_4$ monolayer family (\emph{i} = 1 to 6) by intercalating MoS$_2$-type $MZ$$_2$ monolayer into InSe-type A$_2$Z$_2$ monolayer. Besides reproducing the experimentally synthesized $α_1$-MoSi$_2$N$_4$, $α_1$-WSi$_2$N$_4$ and $β_5$-MnBi$_2$Te$_4$ monolayer materials, another 66 thermodynamically and dynamically stable $MA_2Z_4$ were predicted, which span a wide range of properties upon the number of valence electrons (VEC). $MA_2Z_4$ with the rules of 32 or 34 VEC are mostly semiconductors with direct or indirect band gap and, however, with 33 VEC are generally metal, half-metal ferromagnetism, or spin-gapless semiconductor upon whether or not an unpaired electron is spin polarized. Moreover, we propose $α_2$-WSi$_2$P$_4$ for the spin-valley polarization, $α_1$-TaSi$_2$N$_4$ for Ising superconductor and $β_2$-SrGa$_2$Se$_4$ for topological insulator.

研究の動機と目的

• チューナブルな電子的性質を有する新しい2次元材料を創出するための一般的な構造的設計原則を確立すること。
• MoS₂型$MZ_2$をInSe型$A_2Z_2$層にインターカレーションすることで、七原子層構造を有する$MA_2Z_4$単層の構造的および電子的多様性を調査すること。
• トポロジカル絶縁体やイジング超伝導体を含む、多様な量子相を示す安定な$MA_2Z_4$単層を予測すること。
• $MA_2Z_4$ファミリーにおけるバリオン電子数（VEC）と電子的挙動の相関関係を確立すること。

提案手法

• MoS₂型$MZ_2$単層を破壊されたInSe型$A_2Z_2$単層に挿入することで、七原子層構造を有する$MA_2Z_4$構造を形成する構造的インターカレーションモデルを提案した。
• 36種の$MA_2Z_4$候補（異なるM元素を有する）について、生成エンタルピー、電子バンド構造、フォノン分散を評価するために密度汎関数理論（DFT）計算を用いた。
• 電子-フォノン結合（EPC）は、アレン＝ドライズ変更型マクミラン式を用いて超伝導転移温度（$T_c$）を推定した。Eliashberg関数$\alpha^2F(\omega)$は、LDA内でのDFTから導出された。
• 歪みポテンシャル法を用いてキャリア移動度を計算し、弾性率、有効質量、歪みポテンシャル定数を用いた。
• スピン-バルェークルスカップリングおよびトポロジカル特性を調査するために、最大局在的Wannier関数（MLWF）を用いてベリー曲率を計算した。
• フォノン分散および動的安定性解析を通じて、構造的安定性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 多様な2次元$MA_2Z_4$単層を、制御された電子的性質を有するように創出するための一般的な構造的設計原則をどのように確立できるか？
• RQ2 バリオン電子数（VEC）が$MA_2Z_4$単層の電子的相を決定する上で果たす役割は何か？
• RQ3 どの$MA_2Z_4$構造がトポロジカル絶縁体またはイジング超伝導体の挙動を示し、その背後にあるメカニズムは何か？
• RQ4 特定の構造的および組成的チューニングにより、$MA_2Z_4$単層におけるスピン-バルェークルス極化を設計可能か？

主な発見

• $\alpha_1$-MoSi₂N₄、$\alpha_1$-WSi₂N₄、および$\beta_5$-MnBi₂Te₄単層は実験的に確認され、インターカレーション設計戦略の妥当性が裏付けられた。
• 32または34バリオン電子（VEC）を有する$MA_2Z_4$材料は、主に直接的または間接的バンドギャップを示す半導体である。
• 33 VECを有する材料は、未対電子のスピン極化に応じて金属的、半金属的、またはスピンギャップレス半導体の挙動を示す。
• $\alpha_2$-WSi₂P₄単層は強いスピン-バルェークルスカップリングを示し、スピン-バルェークルストロニクス応用の可能性を示唆している。
• $\alpha_1$-TaSi₂N₄単層は、電子-フォノン結合計算に基づき、約10 Kの$T_c$を示すイジング超伝導体であると予測された。
• $\beta_2$-SrGa₂Se₄単層は、非自明な$Z_2$不変量およびバンド構造における表面状態によって、トポロジカル絶縁体であると特定された。