Pb/Si(111) 与 Pb/Ge(111) 中两种竞争结构稳定性的自旋-轨道耦合效应

利用基于第一性原理的密度泛函理论(DFT)计算，我们在被称为 H$_3$ 和 T$_4$ 结构的两种竞争结构模型内，研究了 Si(111) 或 Ge(111) 表面上 4/3 单层 Pb 的结构。我们发现，自旋-轨道耦合(SOC)影响了 Pb/Si(111) 和 Pb/Ge(111) 两个体系中两种结构的相对稳定性：即，我们未包含 SOC 的 DFT 计算预测，对于 Pb/Si(111) 和 Pb/Ge(111)，T$_4$ 结构在能量上分别比 H$_3$ 结构有利 ${\Delta}E$ = 25 meV 和 22 meV，但包含 SOC 后反转了它们的相对稳定性，分别为 ${\Delta}E$ = $-$12 和 $-$7 meV。我们的分析表明，基态的 SOC 诱导切换归因于 H$_3$ 结构中更不对称的表面电荷分布，与 T$_4$ 结构相比，这引起了相对更大的表面态 Rashba 自旋劈裂以及相对更大的赝能隙开口。通过微扰弹性带计算，我们得到了从 H$_3$ 到 T$_4$ 结构的显著能量势垒，对于 Pb/Si(111) 和 Pb/Ge(111) 分别为 ${\sim}$0.59 和 ${\sim}$0.27 eV。因此，这两种在能量上竞争的结构极有可能在低温下共存。