磁性拓扑绝缘体上依赖晶面的表面能隙

Hengxin Tan; Binghai Yan

doi:10.1103/PhysRevB.105.165130

磁性拓扑绝缘体上依赖晶面的表面能隙

材料科学 2022-04-19 v1 介观与纳米尺度物理

作者: Hengxin Tan , Binghai Yan

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摘要

磁性拓扑绝缘体 (MnBi $_2$ Te $_4$ )(Bi $_2$ Te $_3$ ) $_n$ ( $n=0,1,2,3$ ) 有望实现量子反常霍尔效应(QAHE)和轴子绝缘体(AI)等奇异拓扑态，其中 Bi $_2$ Te $_3$ 层为调控电子与磁学性质提供了多样性。然而，Bi $_2$ Te $_3$ 终止晶面上表面态是无隙还是有隙尚存争议，其在薄膜性质中的后果也鲜有讨论。本工作中，我们通过计算发现对于 $n \ge 1$ 的化合物，Bi $_2$ Te $_3$ 终止晶面是无隙的。尽管表面 Bi $_2$ Te $_3$ (一层或多层)与下层 MnBi $_2$ Te $_4$ 层杂化并产生能隙，但该杂化能隙与体态价带重叠，最终仍导致无隙表面。这种金属性表面对实现 QAHE 或 AI 提出了根本挑战，因为后者要求薄膜至少具有一个 Bi $_2$ Te $_3$ 表面且存在绝缘能隙。理论上，若薄膜两表面均为 MnBi $_2$ Te $_4$ 层，仍可实现绝缘相；否则需薄膜厚度小于 10 $\sim$ 20 nm，通过尺寸效应压低体态价带。我们的工作为理解磁性拓扑材料中的表面态及设计体态绝缘的量子器件铺平了道路。

关键词

磁性拓扑绝缘体表面态 Bi$_2$Te$_3$ 终止晶面杂化能隙量子反常霍尔效应轴子绝缘体薄膜性质

引用

@article{arxiv.2201.02769,
  title  = {Facet dependent surface energy gap on magnetic topological insulators},
  author = {Hengxin Tan and Binghai Yan},
  journal= {arXiv preprint arXiv:2201.02769},
  year   = {2022}
}

备注

10 pages for the main text (4 figures) and 8 pages for supplemental material

磁性拓扑绝缘体上依赖晶面的表面能隙

摘要

关键词

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