[论文解读] Two-dimensional honeycomb-kagome V2O3: a robust room-temperature magnetic Chern insulator interfaced with graphene

Simon Mellaerts, Ruishen Meng+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 6, 2021

Topological Materials and Phenomena参考文献 53被引用 25

一句话总结

本研究提出了一种二维蜂窝-凯格尔结构的V2O3单层，其在本征自旋-轨道耦合和强电子关联作用下，展现出鲁棒的室温磁性陈绝缘体特性。第一性原理计算证实其具有结构、热和机械稳定性，预测居里温度高于300 K，并表现出量子化反常霍尔效应，使其在与石墨烯异质结或受应变作用时，成为室温自旋电子学器件的有前途候选材料。

ABSTRACT

The possibility of dissipationless chiral edge states without the need of an external magnetic field in the quantum anomalous Hall effect (QAHE) offers a great potential in electronic/spintronic applications. The biggest hurdle for the realization of a room-temperature magnetic Chern insulator is to find a structurally stable material with a sufficiently large energy gap and Curie temperature that can be easily implemented in electronic devices. This work based on first-principle methods shows that a single atomic layer of V2O3 with honeycomb-kagome (HK) lattice is structurally stable with a spin-polarized Dirac cone which gives rise to a room-temperature QAHE by the existence of an atomic on-site spin-orbit coupling (SOC). Moreover, by a strain and substrate study, it was found that the quantum anomalous Hall system is robust against small deformations and can be supported by a graphene substrate.

研究动机与目标

• 识别一种结构稳定、二维磁性陈绝缘体，具有大能隙和高居里温度，适用于室温自旋电子学应用。
• 研究具有蜂窝-凯格尔晶格结构的单层V2O3的电子和磁性特性。
• 评估该体系在双轴应变下以及在石墨烯衬底上形成异质结时的稳定性和可行性。
• 利用量子蒙特卡洛和格林函数方法确定居里温度，评估其热稳定性。
• 探讨局域自旋-轨道耦合与电子关联（通过DFT+U）在实现该体系量子反常霍尔效应中的作用。

提出的方法

• 采用自旋极化密度泛函理论（DFT），使用PBE-GGA泛函并引入Hubbard U校正（U = 3.28 eV），以考虑V2O3中局域3d电子的影响。
• 使用投影缀加平面波（PAW）方法，并采用550 eV的平面波截断能进行电子结构计算。
• 在石墨烯支撑的异质结中应用DFT-D3方法以包含范德华相互作用。
• 在300 K下进行从头算分子动力学（AIMD）模拟，使用4×4×1超胞和2 fs时间步长，以评估热稳定性。
• 通过密度泛函微扰理论（DFPT）计算声子色散关系，以确认动力学稳定性。
• 利用蒙特卡洛模拟（VAMPiRE软件包）和完全量子力学格林函数方法估算居里温度。

实验结果

研究问题

• RQ1 单层蜂窝-凯格尔结构V2O3单层是否能在室温下支持鲁棒的量子反常霍尔效应？
• RQ2 该体系对机械应变的响应如何？在双轴形变下是否保持机械稳定性？
• RQ3 当与石墨烯衬底界面结合时，磁性陈绝缘体态是否能够稳定存在？
• RQ4 自旋-轨道耦合与电子关联在该体系中产生拓扑能隙的过程中起什么作用？
• RQ5 预测的居里温度是多少？是否超过室温，从而具备实际应用潜力？

主要发现

• 蜂窝-凯格尔结构V2O3单层表现出完全的结构、热和机械稳定性，AIMD模拟中无虚频声子模式，能量波动低于0.3%。
• 该体系预测居里温度约为300 K，经蒙特卡洛与格林函数方法双重验证，表明其具有室温铁磁性。
• 具有非平凡贝里曲率的自旋极化狄拉克锥导致量子化反常霍尔电导，证实了量子反常霍尔效应的存在。
• 在小幅度双轴应变（±10%以内）下，该体系仍保持其拓扑与磁性特性，表现出对晶格畸变的鲁棒性。
• V2O3单层可在石墨烯衬底上稳定存在，界面相互作用微弱，有效保持其磁性与拓扑特性。
• 有效Hubbard U参数自洽确定为3.28 eV，与体相V2O3一致，验证了强电子关联处理的合理性。