Nano Lett.：三元層狀過渡金屬硫族化合物的拓撲相變

【引言】

2016年諾貝爾物理學獎頒給了凝聚態物理中的拓撲態和拓撲相變的發現者們，近年來，三維的拓撲絕緣體、量子反常霍爾絕緣體、拓撲晶體絕緣體和拓撲半金屬等新的拓撲相不斷被發現并成為凝聚態物理領域的研究熱點。原因是這些拓撲材料具有很奇特的電子結構和輸運性能，以最近幾年很熱門的外爾半金屬為例，外爾費米子存在兩種“手性”，手性相反的外爾點總是會在動量空間中成對出現。在平行的電場和磁場作用下，電子會在“左手”外爾點處不斷消失，而在“右手”外爾點處不斷涌現，產生角度敏感的很強的負磁阻效應。其次，在外場微擾下，這種受保護的拓撲表面態在室溫下可以穩定存在，具有很好魯棒性，且由于受到拓撲保護，兩個具有相反手性的外尓費米子之間的散射很弱，所以輸運過程中非彈性散射產生的熱耗散很小。因此這些拓撲材料在新型室溫低能、低耗散電子器件中具有很大的應用潛力。

【成果簡介】

2017年1月11日，麻省理工學院Junwei Liu（一作）、Liang Fu教授和德州農工大學Hua Wang（共同一作）、Xiaofeng Qian教授（通訊作者）以及中科院物理所Chen Fang研究員在Nano Letters上發表了題為“van der Waals Stacking-Induced Topological Phase Transition in Layered Ternary Transition Metal Chalcogenides”的文章。他們理論上預言了一類具有雙重拓撲態的三元層狀過渡金屬硫族化合物MM’X4體系，并研究了其從二維拓撲量子自旋霍爾絕緣體到三維外尓半金屬的拓撲相變過程與機制。

【圖文導讀】

圖1 MM′Te4的晶體結構

（a）二維1T′型MM′Te4 的俯視和側視圖，虛紫線表示面內的Zigzag金屬鍵。

（b）三維MM′Te4的側視圖。其中M（Ta和Nb）和M′（Ir和Rh）是過渡金屬原子，M，M’，Te分別用綠色，橙色和灰色表示。

圖2 以1T′-NbRhTe4為代表（1T′-MM′Te4）的電子結構

（a）1T′-NbRhTe4的二維布里淵區及其投影。

（b）考慮/不考慮自旋軌道耦合的電子能帶結構。

（c，d）不同態密度的投在不同邊界的投影。

圖3 Td-NbRhTe4外爾半金屬（體材料）的電子結構

（a）3D布里淵空間及其沿著z方向的上下表面投影，kz=0面有8個外爾點，連接不同外爾點的曲線為費米弧。

（b，c）W1、W2兩個外爾點附近的電子結構。

（d，e）W1、W2兩個外爾點附近的貝利曲率分布。

圖4 Td-NbRhTe4的體態密度和表面態密度

（a，e）能級為0.125和-0.066 eV時（對應W1、W2兩個外尓點）的體態密度。

（b，f）位于1,4象限的外爾點附近的體態密度。

（c，g）上表面態密度。

（d，h）下表面態密度。

圖5 量子自旋霍爾絕緣體到外爾半金屬的拓撲相變

（a）kz = 0 平面的外爾點隨著有效層間距減小的演化。

（b-e）外爾點的產生、演化和湮滅過程。

圖6 MM′Te4的動力學和熱穩定性

（a）1T′-NbRh′Te4的聲子色散關系。

（b）1H 和1T′ MM′Te4的能量差。

（c）層與層之間的結合能。

（d）MM′Te4的能隙。

【小結】

本文對四種層狀的三元過渡金屬硫化物進行了理論上的預言，并對它們作為一類新型的拓撲材料進行了研究。目前，三元層狀過渡金屬硫族化合物在結構和成分上具有很大的調控和設計空間，文中的研究結果為理解量子自旋霍爾效應和探索拓撲相變提供了理想的材料平臺，并為二維材料和拓撲材料的研究提供了很好的方向和思路。

文獻鏈接：van der Waals Stacking-Induced Topological Phase Transition in Layered Ternary Transition Metal Chalcogenides（Nano Lett., 2017, DOI:10.1021/acs.nanolett.6b04487）

本文由材料人電子電工學術組大城小愛供稿，材料牛整理編輯。

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