通过MBi2Te4(M=Ge,Sn,Pb)双层中的滑动铁电性调控拓扑相变
材料科学
2025-06-12 v1 介观与纳米尺度物理
计算物理
摘要
结合可切换铁电性与可调拓扑态的材料在推进基础量子现象和创新器件架构方面具有巨大前景。本工作采用第一性原理计算，系统研究MBi2Te4双层(M=Ge,Sn,Pb)中滑动铁电性介导的拓扑相变。通过策略性地构建具有相反极化状态的层间滑动构型，我们展示了伴随拓扑相变的可逆带反转。计算得到的自旋轨道耦合带隙达到31 meV(GeBi2Te4)、36 meV(SnBi2Te4)和35 meV(PbBi2Te4)，从而使得量子自旋霍尔效应的室温观测成为可能。关键的是，这些体系表现出显著的面外铁电极化强度，范围为0.571–0.623 pC/m，其中PbBi2Te4展现出最大极化强度(0.623 pC/m)。拓扑非平庸性通过两个独立特征明确确认：(i) 计算的z2拓扑不变量，以及(ii) 跨越体绝缘带隙的无能隙螺旋边缘态。这种协同效应源于独特的滑动诱导电荷重分布机制，该机制同时调制贝里曲率并打破面内反演对称性，而不破坏面外极化稳定性。MBi2Te4双层中非易失性铁电开关与拓扑保护导电通道的协同调控，建立了一种设计可重构量子器件的材料范式，其中电子拓扑可通过极化反转进行电学控制。我们的结果为利用范德华铁电体中的关联量子态进行多功能纳米电子学提供了关键见解。
引用
@article{arxiv.2506.09317,
title = {Engineering topological phase transitions via sliding ferroelectricity in MBi2Te4 (M = Ge, Sn, Pb) bilayers},
author = {Xinlong Dong and Dan Qiao and Zeyu Li and Zhenhua Qiao and Xiaohong Xu},
journal= {arXiv preprint arXiv:2506.09317},
year = {2025}
}