二维过渡金属硫族化合物中的量子自旋霍尔效应
材料科学
2022-06-15 v3
摘要
基于第一性原理计算，我们发现一类二维过渡金属（TM）硫族化合物 MX5（M = Zr、Hf，X = S、Se 和 Te）可承载量子自旋霍尔（QSH）效应。分子动力学模拟表明它们在室温下均为热力学稳定，最大带隙为 0.19 eV。我们研究了 MX5 的电子性质，发现它们的性质非常相似。不考虑自旋轨道耦合（SOC）时，单层 ZrX5 均为无带隙半金属。考虑 SOC 后，ZrS5、ZrSe5 到 ZrTe5 将分别出现带隙为 0.05 eV（直接）、0.18 eV（直接）和 0.13 eV（间接）的绝缘相。Wannier 电荷中心与边缘态的演化证实它们均为 QSH 绝缘体。ZrX5 中 QSH 效应的机制源于特殊的非对称空间群特征。此外，只要链间耦合不足以反转能带次序，ZrS5 的 QSH 态在较大应变范围内得以保持。单层 ZrS5 在特定应变下会发生拓扑绝缘体（TI）到半金属（金属）或金属到半金属的相变。单层 MX5 拓展了基于 TM 硫族化合物的 TI 材料，并可能为制备室温下新型低功耗自旋电子器件开辟新途径。
引用
@article{arxiv.2109.01209,
title = {Quantum spin Hall effect in two-dimensional transition-metal chalcogenides},
author = {Xing Wang and Wenhui Wan and Yanfeng Ge and Kai-Cheng Zhang and Yong Liu},
journal= {arXiv preprint arXiv:2109.01209},
year = {2022}
}
备注
13 pages,7 figures