[论文解读] The search for strong topological insulators

M. Klintenberg|arXiv (Cornell University)|Jul 27, 2010

Topological Materials and Phenomena参考文献 27被引用 7

一句话总结

本文通过大规模密度泛函理论（DFT）计算与数据挖掘，开展了一项高通量计算搜索，以发现强拓扑绝缘体。通过识别在引入自旋-轨道耦合时在Γ点表现出能带反演的材料——其特征为反交叉现象——研究预测了17种新型非层状化合物，包括半-Heusler相和硫属化物基材料，其间接带隙为0.1–0.3 eV，适用于常温下运行。

ABSTRACT

Topological insulators [1-6] is a new quantum phase of matter with exotic properties such as dissipationless transport and protection against Anderson localization [7]. These new states of quantum matter could be one of the missing links for the realization of quantum computing [8,9] and will probably result in new spintronic or magnetoelectric devices. Moreover, topological insulators will be a strong competitor with graphene in electronic application. Because of these potential application the topological insulator research has literally exploded during the last year. Motivated by the fact that up-to-date only few 3D systems are identified to belong to this new quantum phase [10-18] we have used massive computing in combination with data-mining to search for new strong topological insulators. In this letter we present a number of non-layered compounds that show band inversion at the $Γ$-point, a clear signal of a strong topological insulator.

研究动机与目标

• 识别超越已知层状材料（如Bi2Se3和Bi2Te3）的新型强拓扑绝缘体。
• 开发一种基于数据挖掘的高通量计算框架，以加速发现拓扑非平庸材料。
• 建立一种可靠判据——在自旋-轨道耦合下，Γ点处通过反交叉实现的能带反演——用于识别三维材料中的强拓扑绝缘体。
• 预测具有实验可实现带隙（≥0.1 eV）的材料，以支持常温条件下潜在的器件应用。

提出的方法

• 采用全势线性muffin-tin轨道（FP-LMTO）DFT方法，在局域密度近似（LDA）框架下，计算超过60,000种无机化合物的电子结构。
• 使用数据挖掘算法扫描电子结构中在开启与关闭自旋-轨道耦合时，高对称点（尤其是Γ点）处的反交叉特征。
• 将LDA计算中呈现小负带隙的材料识别为拓扑绝缘体候选，通过对比有无自旋-轨道耦合时的能带色散关系，确认能带反演。
• 在已知的第二代拓扑绝缘体（Bi2Te3、Bi2Se3、Sb2Te3）上验证该方法，确认其在自旋-轨道耦合下表现出反交叉行为。
• 聚焦于非层状化合物，以拓展传统硫属化物基拓扑绝缘体的材料体系。
• 将Γ点（或V、A点）处存在反交叉特征作为强拓扑序的确定性标志。

实验结果

研究问题

• RQ1 哪些非层状无机化合物在引入自旋-轨道耦合时，于Γ点表现出能带反演，表明具有强拓扑绝缘体行为？
• RQ2 高通量DFT与数据挖掘能否可靠识别出超越已知铋系与锑系硫属化物的新型强拓扑绝缘体？
• RQ3 预测的拓扑绝缘体的带隙范围是多少？其是否能在常温下支持金属态表面态？
• RQ4 不同晶体结构（如半-Heusler相、NaCrS2型、In5Bi3型）如何影响拓扑表面态的出现？

主要发现

• 基于在引入自旋-轨道耦合时Γ点处存在反交叉特征，共识别出17种新型非层状化合物为强拓扑绝缘体。
• 化合物Ca3OSn具有0.2 eV的间接带隙，并在Γ点表现出清晰的能带反演，证实其拓扑特性。
• GdPtSb为具有AlLiSi结构类型的半-Heusler化合物，表现出反交叉特征，其间接带隙为0.2 eV。
• Bi2SeTe2与Bi2STe2具有Bi2Te3结构类型，其在Γ点处表现出反交叉，间接带隙为0.3 eV，表明其具备常温运行潜力。
• PbTl4Te3与BiTl9Te6表现出反交叉特征，具有0.1 eV的间接带隙，尽管带弯曲较弱，但仍暗示其具有拓扑特性。
• Bi2TeI在Γ点与V点均表现出能带反演，而GeSb4Te7与HgKSb在A点出现能带反演，表明不同晶系中存在多样的拓扑行为。