[论文解读] Square selenene and tellurene: novel group VI elemental 2D semi-Dirac materials and topological insulators

Lede Xian, Alejandro Pérez Paz+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 6, 2016

Graphene research and applications被引用 4

一句话总结

本文提出了一种新型二维元素结构——方形单质硒烯（selenene）和碲烯（tellurene），其具有硒（Se）和碲（Te）元素的褶皱方形晶格。第一性原理计算表明，这些结构具有各向异性的半狄拉克费米子，并表现出约 0.1 eV 的自旋轨道耦合诱导能带隙，属于拓扑非平庸相，证实其为具有鲁棒自旋极化边缘态的二维拓扑绝缘体，适用于自旋电子学应用，且可能在 Au(100) 等基底上外延生长。

ABSTRACT

With first principles calculations, we predict a novel stable 2D layered structure for group VI elements Se and Te that we call square selenene and square tellurene, respectively. They have chair-like buckled structures similar to other layered materials such as silicene and germanene but with a square unit cell rather than hexagonal. This special structure gives rise to anisotropic band dispersions near the Fermi level that can be described by a generalized semi-Dirac Hamiltonian. We show that the considerably large band gap ($\sim$0.1 eV) opened by spin-orbit coupling makes square selenene and tellurene topological insulators, hosting non-trivial edge states. Therefore, square selenene and tellurene are promising materials for novel electronic and spintronic applications. Finally, we show that this new type of 2D elemental material can potentially be grown on proper substrates, such as a Au(100) surface.

研究动机与目标

• 探索第 VIA 族元素硒（Se）和碲（Te）是否存在尚未被报道的稳定二维层状结构。
• 研究这些新型二维结构的电子性质与拓扑性质，特别是其能带色散关系与对称性。
• 确定这些材料是否能表现出受时间反演对称性保护的非平庸边缘态的拓扑绝缘体行为。
• 通过考察其在 Au(100) 等合适基底上的生长稳定性，评估其实验实现的可行性。

提出的方法

• 采用密度泛函理论（DFT）计算确定硒（Se）和碲（Te）的最低能量二维结构，包括结构优化与能量比较。
• 通过从头算声子色散关系与分子动力学（MD）模拟，验证方形单质硒烯和碲烯的热稳定性。
• 使用广义半狄拉克哈密顿量模拟费米能级附近的各向异性能带色散，捕捉动量相关的能级位移与导带中负的有效质量。
• 通过威尔逊圈方法计算 Z2 拓扑不变量，以确定拓扑相，确认其非平庸的拓扑性质。
• 对宽的锯齿形纳米带进行 DFT 能带结构计算，直接观测到体能带隙中的无能隙螺旋边缘态。
• 计算方形单质碲烯与螺旋碲链在 Au(100) 上的生成能，以评估基底诱导稳定化与生长可行性。

实验结果

研究问题

• RQ1 鉴于硒（Se）和碲（Te）通常具有 1D 链状或 0D 环状的三维体相结构，能否形成稳定的二维层状结构？
• RQ2 这些新型二维结构是否表现出可由广义半狄拉克哈密顿量描述的各向异性电子色散？
• RQ3 方形单质硒烯和碲烯中的自旋轨道耦合是否足以打开非平庸的拓扑能带隙，使其成为二维拓扑绝缘体？
• RQ4 基于生成能与结构匹配性分析，这些二维元素材料能否在 Au(100) 等合适基底上实现稳定化与外延生长？

主要发现

• 方形单质硒烯与碲烯被预测为热力学稳定的二维结构，具有褶皱方形晶格，其稳定性经声子与分子动力学模拟验证。
• 费米能级附近的电子能带结构表现出两个具有强各向异性的能隙半狄拉克锥，可由包含动量依赖位能的广义半狄拉克哈密顿量良好描述。
• 自旋轨道耦合在两种材料中均打开约 0.1 eV 的非平庸拓扑能带隙，使其在室温下可实现量子自旋霍尔效应。
• 两种材料的 Z2 不变量计算结果为 1，确认其为拓扑绝缘体，且在锯齿形纳米带计算中观测到无能隙的螺旋边缘态。
• 方形单质碲烯在 Au(100) 上的生成能比矩形单质碲烯低 0.02 eV/原子，表明其在该基底上具有更高的热力学稳定性。
• Te 在 Au(100) 上的外延生长预测为逐层生长，其方形图案与实验高分辨原子力显微镜（HR-AFM）观测到的 √2×√2 重构相匹配，支持其实验实现的可行性。