铋烯单层：一种具有大带隙的极具前景的量子自旋霍尔绝缘体

通过第一性原理计算，我们预测在铋单层的多孔同素异形体——铋烯中存在一种新的二维量子自旋霍尔 (QSH) 绝缘体，其动力学稳定性已通过声子谱和分子动力学模拟得到证实。电子结构分析表明，它是一种本征 QSH 态，在 $\Gamma$ 点处的带隙高达 0.29 eV，大于屈曲型 (0.2 eV) 和扁平型 (0.2 eV) 铋、Bi4Br4 (0.18 eV) 以及锡烯 (0.1 eV)，且在能量上也比这些系统更稳定。有趣的是，铋烯在 -6% 至 5% 的应变和高达 0.8 eV/\AA 的电场下具有可调带隙和非平凡能带拓扑。此外，我们构建了一个紧束缚模型来解释由自旋轨道耦合引起的能带拓扑背后的低能物理。我们还提出了一种将铋烯夹在两层 BN 片之间的量子阱，并揭示该结构保持拓扑非平凡性且具有可观的带隙。这些关于铋烯 QSH 效应的发现为新一代无耗散电子学和自旋电子学器件提供了一个可行的平台。