[论文解读] Computational study of heavy group IV elements (Ge, Sn, Pb) triangular lattice atomic layers on SiC(0001) surface

Anton Visikovskiy, Shingo Hayashi+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 4, 2018

Semiconductor materials and devices被引用 3

一句话总结

本研究采用密度泛函理论（DFT）研究Ge、Sn和Pb在SiC(0001)上的致密三角晶格原子层（TLAL），发现此类层在T1吸附位点具有稳定性。关键发现是，由于部分电子密度的对称性破缺，Rashba型与Zeeman型自旋极化共存：p_x+p_y能带表现出Zeeman型分裂，而p_z能带在K点附近呈现Rashba型自旋涡旋。

ABSTRACT

Group IV heavy elements atomic layers are expected to show an interesting physical properties due to their large spin-orbit coupling (SOC). Using density functional theory (DFT) calculations with/without SOC we investigate the variation of group IV heavy elements overlayers, namely dense triangular lattice atomic layers (TLAL) on the surface of SiC(0001) semiconductor. The possibility of such layers formation and their properties have not been addressed before. Here we show, that these layers may indeed be stable and, owing to peculiar bonding configuration, exhibit robust Dirac-like energy bands originating from $p_x+p_y$ orbitals and localized mostly within the layer, and $p_z$ band localized outside the layer and interacting with SiC substrate. We found that a $T_1$ adsorption site is most favorable for such TLAL structure and this results in an unusual SOC-induced spin polarization of the states around $\bar{K}$ points of Brillouin zone, namely the coexistence of Rashba- and Zeeman-like spin polarization of different states. We explain this phenomena in terms of symmetry of partial electronic density rather than symmetry of atomic structure.

研究动机与目标

• 研究重族IV元素（Ge、Sn、Pb）在SiC(0001)表面形成的致密三角晶格原子层（TLAL）的稳定性与电子结构。
• 在吸附物富集条件下，确定TLAL形成的最有利吸附位点（T1、T4、H3）。
• 探讨自旋-轨道耦合（SOC）在这些体系中诱导独特自旋极化态的作用。
• 从部分电子密度对称性而非原子结构对称性的角度，理解非传统自旋分裂行为的起源。
• 阐明平面内p_x+p_y与面外p_z能带之间在决定自旋纹理和能带色散中的相互作用。

提出的方法

• 采用含自旋-轨道耦合（SOC）与不含SOC的密度泛函理论（DFT）计算，评估结构稳定性和电子性质。
• 系统评估Ge、Sn和Pb在不同吸附位点（T1、T4、H3）下的稳定性，以确定最稳定的构型。
• 分析布里渊区K点附近的能带结构与自旋分裂模式，识别Rashba型与Zeeman型行为。
• 检查p_x+p_y与p_z轨道的部分电子密度分布，将对称性与自旋极化类型相关联。
• 使用氢化TLAL与SiC双层模型，隔离基底对称性对电子密度重构的影响。
• 将理想p6mm对称层与基底耦合体系进行对比，揭示对称性破缺对自旋纹理的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 Ge、Sn和Pb的致密三角晶格原子层（TLAL）能否在SiC(0001)上稳定形成？最有利的吸附位点是什么？
• RQ2 自旋-轨道耦合（SOC）如何影响这些TLAL体系中电子能带的自旋极化？
• RQ3 尽管原子环境相似，为何p_x+p_y与p_z能带表现出不同类型的自旋分裂（Zeeman型与Rashba型）？
• RQ4 部分电子密度的对称性（而非整体原子晶格对称性）在多大程度上决定了SOC诱导的自旋分裂性质？
• RQ5 基底相互作用在破缺对称性并实现Rashba型与Zeeman型自旋极化共存中起什么作用？

主要发现

• 在SiC(0001)上，T1吸附位点最有利于Ge和Sn TLAL的形成，且在吸附物富集条件下可形成稳定的(1×1)结构。
• 对于Pb，由于原子半径较大，形成稳定的(buckled)(√3×√3)结构，但其电子性质受此周期性影响甚微。
• K点附近的p_x+p_y能带由于部分电子密度中的p3m1对称性（由基底诱导的对称性破缺引起）表现出Zeeman型自旋分裂。
• 在T1位点吸附时，费米能级附近的p_z衍生能带表现出Rashba型自旋极化与自旋涡旋，这是由于部分密度中保留了p6mm对称性。
• Rashba型与Zeeman型自旋分裂的共存源于不同轨道（p_x+p_y与p_z）受到基底影响而具有不同的对称性环境。
• 自旋分裂的起源归因于部分电子密度的对称性，而非整体原子晶格对称性，这是理解二维体系中SOC机制的关键洞见。