Nano Lett.：硅烯在SiC(0001)表面發現π軌道以外的拓撲狄拉克態

引言

第四主族石墨烯、硅烯、鍺烯和錫烯的拓撲態已經有大量的研究，然而這些材料只能生長在有強界面作用的襯底表面，從而破壞了它們原有的π軌道狄拉克態。我們的理論研究發現在4H-SiC(0001)表面的硅烯存在P_x,y新的拓撲態，并且通過貝里曲率計算證明了它是非平庸的，陳數為2。這將意味著硅烯在SiC(0001)可以實現量子反常霍爾效應，將有利于利用在納米電子器件方面的應用。

成果簡介

近日，湘潭大學物理與光電工程學院郭志新副教授(通訊作者)等人在Nano Letters 在線發表題為“Topological Dirac States beyond π?Orbitals for Silicene on SiC(0001) Surface”的文章，研究者在強界面束縛作用下硅烯在SiC(0001)表面發現了P_x,y的狄拉克態，它是拓撲非平庸的。從而實驗在此體系可以實現量子反常霍爾效應，進一步應用的納米電子器件。本文的第一作者是李平博士、The University of Texas at Austin的李曉博士和湘潭大學機械工程學院的趙為副教授。本工作與湖南師范大學陳明星教授、北京大學馮濟教授、復旦大學龔新高教授、The University of Texas at Austin的Allan H. MacDonald教授和Hua Chen博士合作完成，感謝牛謙教授Erio Tosatt教授和羅偉博士的有益討論、得到國家自然科學基金(11604278, 11374252)的資助，在此一并表示感謝。

圖文導讀

圖1.結構、模擬的STM、3D能帶結構以及布里淵區

(a,b)c-top硅烯在SiC(0001)襯底表面的結構示意圖；

(c)模擬的STM；

(d)c-top硅烯在SiC(0001)襯底表面的3D能帶結構；

(e)c-top硅烯在SiC(0001)襯底表面的布里淵區。

圖2.c-top硅烯在SiC(0001)襯底表面的能帶結構和態密度

(a,c)c-top硅烯在SiC(0001)襯底表面的能帶結構和態密度；

(b,d)剝離SiC襯底以后的能帶結構和態密度。

圖3. 狄拉克態的Kohn?Sham (KS)軌道

(a,c)高對稱K點低能狄拉克態Kohn?Sham (KS)軌道的側視圖和俯視圖；

(b,d)高對稱K點高能狄拉克態Kohn?Sham (KS)軌道的側視圖和俯視圖。

圖4.c-top硅烯在SiC(0001)襯底上的能帶結構

(a)c-top硅烯在4層SiC(0001)襯底上，考慮了自旋沒有考慮SOC的能帶結構；

(b)c-top硅烯在1層SiC(0001)襯底上，考慮了SOC的能帶結構。

圖5.c-top硅烯在SiC(0001)襯底上的貝里曲率

(a)3D的貝里曲率；

(b,c)2D的K和K’的貝里曲率。

圖6.c-top硅烯的示意圖和低能有效模型擬合的能帶結構

(a)c-top硅烯的示意圖，可以分成A和B兩個部分；

(b)A用大的藍色原子表示，B用小的黃色原子表示的六角蜂窩結構示意圖；

(c)在K點DFT計算和低能有效模型擬合的能帶結構。

總結和展望

?在這篇文章中，作者在c-top硅烯在SiC(0001)襯底體系中發現了π軌道以外的狄拉克態，通過貝里曲率計算證明了這個體系是拓撲非平庸的，陳數為2，表明此體系不需要任何磁性原子摻雜也可以實現量子反常霍爾效應。

文獻鏈接：Topological Dirac States beyond π?Orbitals for Silicene on SiC(0001) Surface?(Nano Letters, 2017, DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b02855)

本文由郭志新老師團隊投稿，材料牛編輯整理。

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