[论文解读] Effects of biaxial strain on the electronic structures and band topologies of group-V elemental monolayers

Jinghua Liang, Long Cheng+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 5, 2015

2D Materials and Applications被引用 5

一句话总结

本研究采用从头算计算方法，探究双轴应变如何改变第V主族元素单层材料（P、As、Sb、Bi）的电子结构与能带拓扑。研究发现，压缩应变会关闭带隙，使所有单层材料转变为半金属；而拉伸应变则在P、As和Sb单层中诱导拓扑相变，使其从平凡拓扑绝缘体转变为非平凡拓扑绝缘体，而Bi则始终保持非平凡拓扑特性。这些可调制的性质表明其在自旋电子学与光电子学应用中具有巨大潜力。

ABSTRACT

Using first-principles calculations, we systematically investigate the electronic structures and band topologies of four kinds of group-V elemental (P, As, Sb and Bi) monolayers with buckled honeycomb structure. It is found that all these monolayers can change from semiconducting to semimetallic under compressive strain. If a tensile strain is however applied, the P, As and Sb monolayers undergo phase transition from topologically trivial to non-trivial regime, whereas the topological insulating nature of Bi monolayer remains unchanged. With tunability of the band gaps and band topologies, it can be expected that these elemental monolayers could be promising candidates for future optoelectronic and spintronic applications.

研究动机与目标

• 理解双轴应变对第V主族元素单层材料电子能带结构的影响。
• 确定应变如何影响这些单层材料的拓扑性质（平凡与非平凡）。
• 通过可调制的电子性质评估这些材料在未来的自旋电子学与光电子学应用中的潜力。
• 系统比较黑磷烯、砷烯、锑烯与铋烯在应变诱导能带结构变化下的响应。

提出的方法

• 采用从头算密度泛函理论（DFT）计算方法，研究P、As、Sb与Bi的褶皱蜂窝状单层材料的电子结构。
• 在平面内均匀施加双轴应变以模拟机械形变，应变范围为-10%至+10%。
• 通过自旋-轨道耦合（SOC）分析带隙与能带拓扑，以评估拓扑相。
• 计算Z2拓扑不变量，以区分平凡与非平凡拓扑绝缘态。
• 追踪应变范围内电子结构的演化，以识别相变点。
• 计算中包含自旋-轨道耦合，以准确捕捉自旋分裂与拓扑特征。

实验结果

研究问题

• RQ1 双轴应变如何影响第V主族元素单层材料的带隙？
• RQ2 拉伸应变是否会在P、As和Sb单层中诱导拓扑相变？
• RQ3 铋烯在双轴应变下是否仍保持拓扑绝缘特性？
• RQ4 这些单层材料的电子与拓扑性质是否可被调控以用于器件应用？
• RQ5 带隙关闭与拓扑相变的关键应变阈值是多少？

主要发现

• 所有第V主族单层材料（P、As、Sb、Bi）在约-5%至-10%的压缩应变下，从半导体转变为半金属行为。
• 黑磷烯、砷烯与锑烯在拉伸应变下经历从平凡到非平凡拓扑绝缘体的转变，非平凡拓扑相在应变超过+3%时得以稳定。
• 铋烯在整个研究应变范围内始终保持非平凡拓扑绝缘态，表明其具有强拓扑保护特性。
• 黑磷烯、砷烯与锑烯的带隙在应变作用下可调，且在拉伸应变下观察到显著减小。
• 自旋-轨道耦合的引入证实了价带顶存在自旋分裂，支持了应变相的拓扑特性。
• 本研究识别出一个应变可调的区域，在此区域内可同时调控带隙与拓扑性质，为自旋电子学与纳米电子学应用提供了潜在可能。