[论文解读] Cd3As2 is Centrosymmetric

Mazhar N. Ali, Quinn Gibson+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 29, 2013

Nanocluster Synthesis and Applications参考文献 6被引用 103

一句话总结

本文将Cd3As2的晶体结构重新定义为中心对称（I4₁/acd空间群），纠正了先前关于非中心对称有序结构的报道。通过单晶X射线衍射和电子结构计算，证明Cd3As2是一种非自旋极化的三维狄拉克半金属，其费米能级处具有四重简并的狄拉克点，由于自旋简并性和反演对称性的保留，使其成为石墨烯的真实三维类比。

ABSTRACT

This is a revised version of a manuscript that was originally posted here in February of 2014. It has been accepted at the journal Inorganic Chemistry after reviews that included those of two crystallographers who made sure all the t's were crossed and the i's were dotted. The old work (from 1968) that said that Cd3As2 was noncentrosymmetric was mistaken, with the authors of that study making a type of error that in the 1980s became infamous in crystallography. As a result of the increased scrutiny of the issue of centrosymmetricity of the 1980's, there are now much better analysis tools to resolve the issue fully, and its important to understand that not just our crystals are centrosymmetric, even the old guy's crystals were centrosymmetric (and by implication everyone's are). There is no shame in having made that error back in the day and those authors would not find the current centrosymmetric result controversial; their paper is excellent in all other aspects. This manuscript describes how the structure is determined, explains the structure schematically, calculates the electronic structure based on the correct centrosymmetric crystal structure, and gives the structural details that should be used for future analysis and modeling.

研究动机与目标

• 利用高精度单晶X射线衍射，重新表达Cd3As2在低温相下的真实晶体结构。
• 解决长期以来关于Cd3As2中是否存在反演对称性的争议。
• 确定决定其电子能带结构的正确空间群和原子排布。
• 确定Cd3As2单晶的生长方向和解理面，以支持未来的物理测量。
• 在正确的中心对称模型下重新评估Cd3As2的电子结构，特别是自旋简并性和狄拉克点拓扑性质。

提出的方法

• 对高质量Cd3As2单晶进行单晶X射线衍射（SXRD），以精确测定原子位置和对称性。
• 利用Rietveld精修和空间群分析，确认其为I4₁/acd（编号142）中心对称空间群。
• 基于实验测定的中心对称结构，采用密度泛函理论（DFT）进行电子结构计算。
• 利用扫描隧道显微镜（STM）探测(112)解理表面，识别出2×2表面重构。
• 将晶体生长条件与观察到的[110]针状形貌及(112)解理面的形成相关联。
• 将中心对称模型的电子能带结构与先前的非中心对称模型进行比较，以评估自旋分裂和简并性。

实验结果

研究问题

• RQ1 Cd3As2在低温相下的真实晶体结构是什么？它是中心对称还是非中心对称？
• RQ2 反演对称性的存在或缺失如何影响Cd3As2的自旋简并性和电子能带结构？
• RQ3 Cd3As2单晶的生长方向和解理面是什么？它们与晶体对称性的内在关系如何？
• RQ4 在正确的晶体结构下，是否仍能保持早期研究中观测到的三维狄拉克半金属行为？若能，其对称性约束条件是什么？
• RQ5 在(112)解理面上，表面电子结构如何表现？所观察到的2×2重构的起源是什么？

主要发现

• Cd3As2结晶于中心对称的I4₁/acd空间群（编号142），晶格参数为a = 12.633(3) Å，c = 25.427(7) Å。
• 该结构是反萤石（M₂X）型的畸变超结构，由Cd₆□₂立方体沿螺旋方式堆叠而成，具有相反的对映性。
• 基于中心对称结构计算的电子能带结构显示，在Γ–Z方向的费米能级处存在四重简并的狄拉克点，且无自旋分裂。
• Cd3As2的所有能带至少为两重简并，这是由于反演对称性所致，证实其为非自旋极化的三维狄拉克半金属。
• 扫描隧道显微镜显示，(112)解理面上存在2×2表面重构，归因于表面终止产生的悬空键。
• 针状晶体沿[110]方向生长，与高温相P4₂/nmc的主轴一致，冷却后转变为I4₁/acd结构。