[论文解读] 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 10

一句话总结

论文报道了 VSiXN4（X = C, Si, Ge, Sn, Pb）单层的第一性原理研究，显示固有内置电场与外加应变通过 K 和 K' 谱线处的 dxy/dx2−y2 与 dz2 能带反转实现与谷相关的多重拓扑相变。

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.

研究动机与目标

• 研究 VSiXN4（X = C, Si, Ge, Sn, Pb）单层的结构、磁性、电子和拓扑性质。
• 识别内置电场和应变如何影响谷极化与拓扑。
• 在这些二维材料中展示自场控制自旋、谷和拓扑态的多场耦合。

提出的方法

• 使用 VASP 进行基于 GGA-PBE 和 GGA+U（Ueff = 1–4 eV）的一维/三维结构、磁性和电子性质的 DFT 计算。
• 用 HSE06 计算验证结果。
• 利用最大局域 Wannier 函数和 WannierTools 计算 Berry 曲率和边态。
• 提取磁各向异性能（MAE）及其对内置场和应变的依赖性分析。
• 在 K 与 K' 谱线附近，用有效哈密顿量 H_SOC 建模自旋轨道耦合对谷分裂的影响。

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

实验结果

研究问题

• RQ1 VSiXN4 单层是否可以在固有磁性下实现 ferrovalley 行为？
• RQ2 内置电场和应变如何驱动谷相关的带反转与拓扑相变？
• RQ3 在不同 X、场强和应变下，所得到的谷分裂、Berry 曲率和边态是什么？
• RQ4 是否存在使谷量子反常霍尔绝缘体（VQAHI）或谷-金属/谷-半金属性相出现的应变区间？
• RQ5 VSiXN4 家族中带反转机制的普遍性如何？

主要发现

• VSiXN4 单层在 X = C, Si, Ge, Sn 时具有动态稳定性且本征为 ferrovalley 的 FM 基态；VSiPbN4 的磁矩略大一些（1.09 μB）。
• 内置电场随 X 的不同而不同，例如 VSiCN4 ~ 0.36 V/Å，VSiGeN4 ~ 0.00 V/Å，VSiSnN4 ~ 0.26 V/Å，VSiPbN4 ~ 0.31 V/Å，这些场与磁各向异性能能量趋势相关。
• 在无自旋轨道耦合（SOC）时，K 与 K′ 谱线具有自旋向上的带；有了 SOC 后，某些组分的价带出现谷分裂，E_v^K − E_v^K′ 高达 70.17 meV，E_c^K − E_c^K′ 高达 72.45 meV（随 X 而异）。
• VSiGeN4 是一个临界点，其中 VBm 与 CBM 形成狄拉克锥，且在内置场下 SOC 引发的带反转导致与谷相关的拓扑转变。
• 应变能驱动一个序列：谷半导体 → 谷半金属性 → 谷量子霍尔绝缘体（VQAHI） → 谷半金属性 → 谷半导体；在这些转变过程中 K 与 K′ 的 Berry 曲率符号发生翻转。
• 边界态分析表明只有 VSiGeN4 可以拓扑非平凡（带之间只有单边界态）。
• 在特定应变下，出现谷极化霍尔电导，实现谷和自旋极化的输运以及潜在的谷自旋电子器件应用。

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