[论文解读] NiCl3 Monolayer: Dirac Spin-Gapless Semiconductor and Chern Insulator

Junjie He, Xiao Li+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 3, 2016

Engine and Fuel Emissions参考文献 1被引用 67

一句话总结

该论文提出NiCl3单层是一种新型的狄拉克自旋带隙半导体，具有本征的高温铁磁性（约400 K）以及在包含自旋轨道耦合时出现的较大非平凡陈绝缘体能隙（约24 meV），使得在室温附近实现量子反常霍尔效应成为可能。该材料表现出较高的狄拉克费米子迁移率（约4×10⁵ m/s），是自旋电子学应用的有前途候选材料。

ABSTRACT

The great obstacle for practical applications of the quantum anomalous Hall (QAH) effect is the lack of suitable QAH materials (Chern insulators) with large non-trivial band gap, room-temperature magnetic order and high carrier mobility. The Nickle chloride (NiCl3) monolayer characteristics are investigated herein using first-principles calculations. It is reported that NiCl3 monolayers constitute a new class of Dirac materials with Dirac spin-gapless semiconducting and high-temperature ferromagnetism (~400K). Taking into account the spin-orbit coupling, the NiCl3 monolayer becomes an intrinsic insulator with a large non-trivial band gap of ~24 meV, corresponding to an operating temperature as high as ~280K at which the quantum anomalous Hall effect could be observed. The calculated large non-trivial gap, high Curie temperature and single-spin Dirac states reported herein for the NiCl3 monolayer lead us to propose that this material give a great promise for potential realization of a near-room temperature QAH effect and potential applications in spintronics. Last but not least the calculated Fermi velocities of Dirac fermion of about 4x105 m/s indicate very high mobility in NiCl3 monolayers.

研究动机与目标

• 识别具有本征铁磁性和大非平凡带隙的新二维材料，以适用于量子反常霍尔效应。
• 利用从头算计算研究NiCl3单层的电子和磁性性质。
• 探索NiCl3单层作为具有高载流子迁移率和强拓扑序的自旋电子学器件平台的潜力。
• 确定该材料在包含自旋轨道耦合时是否表现出狄拉克自旋带隙半导体行为及陈绝缘体特性。

提出的方法

• 采用从头算密度泛函理论（DFT）计算研究NiCl3单层的电子和磁性结构。
• 系统地引入自旋轨道耦合，以评估其对能隙打开和拓扑性质的影响。
• 分析能带结构和自旋纹理，以确认狄拉克锥的形成及自旋带隙半导体行为。
• 利用平均场RKKY模型估算居里温度，以评估铁磁性的热稳定性。
• 计算费米速度以量化单层中狄拉克费米子的载流子迁移率。
• 计算拓扑不变量和陈数，以确认陈绝缘体相。

实验结果

研究问题

• RQ1 NiCl3单层能否表现出适合室温应用的高居里温度本征铁磁性？
• RQ2 NiCl3单层在无自旋轨道耦合时是否表现出费米能级处具有线性能带色散的狄拉克自旋带隙半导体行为？
• RQ3 在包含自旋轨道耦合时，NiCl3单层的非平凡带隙大小是多少？
• RQ4 该系统是否因非零陈数而具有量子化的霍尔电导，表明其为陈绝缘体相？
• RQ5 NiCl3中狄拉克费米子的费米速度是多少，这对载流子迁移率有何含义？

主要发现

• NiCl3单层表现出高温铁磁性，居里温度约为400 K。
• 该材料在无自旋轨道耦合时表现出狄拉克自旋带隙半导体行为，费米能级处具有线性能带色散和自旋简并的狄拉克锥。
• 在引入自旋轨道耦合后，打开一个约24 meV的大非平凡带隙，表明其为拓扑非平庸的陈绝缘体相。
• 该系统支持量子化的霍尔电导，由非零陈数证实，确立其为陈绝缘体。
• 狄拉克费米子的费米速度计算结果约为4×10⁵ m/s，表明具有极高的载流子迁移率。
• 量子反常霍尔效应的工作温度估计约为280 K，接近室温。