拓扑绝缘体 Bi$_2$Se$_3$ 上的单层与双层石墨烯：基于第一性原理的电子与自旋轨道性质
介观与纳米尺度物理
2019-10-30 v2
摘要
我们详细研究了单层与双层石墨烯在靠近拓扑绝缘体 BiSe 时的电子与自旋轨道性质。我们的方法基于第一性原理计算，并结合由对称性导出的模型哈密顿量来捕捉低能能带性质。我们考虑了位于 1–3 个五重层 BiSe 上的单层与双层石墨烯，并提取了轨道与邻近诱导的自旋轨道耦合（SOC）参数。我们发现石墨烯被显著地空穴掺杂（350 meV），但线性色散得以保持。邻近诱导的 SOC 参数量级约为 1 meV，且为谷塞曼型。诱导的 SOC 对 BiSe 五重层数目依赖较弱。我们还研究了横向电场的作用，该电场施加于位于 1 个五重层 BiSe 之上的单层与双层石墨烯异质结两端。我们的结果表明，能带偏移以及邻近诱导的 SOC 参数均可由电场调控。最有趣的是双层石墨烯的情形，其中源于异质结本征偶极子的带隙可被关闭并再次打开，且带特征发生反转。强邻近 SOC 从导带向价带的切换实现了一种自旋轨道阀。此外，我们发现当石墨烯与 BiSe 的层间距仅减小 10% 时，邻近诱导的 SOC 巨幅增加约 200%。最后，对于另一种衬底材料 BiTeSe，能带偏移显著不同，石墨烯狄拉克点位于费米能级，而诱导的 SOC 强度与 BiSe 衬底相比量级相近。
引用
@article{arxiv.1907.03494,
title = {Single and bilayer graphene on the topological insulator Bi$_2$Se$_3$: Electronic and spin-orbit properties from first principles},
author = {Klaus Zollner and Jaroslav Fabian},
journal= {arXiv preprint arXiv:1907.03494},
year = {2019}
}
备注
13 pages, 13 figures, 3 tables