Nano Lett.：硅烯在SiC(0001)表面发现π轨道以外的拓扑狄拉克态

引言

第四主族石墨烯、硅烯、锗烯和锡烯的拓扑态已经有大量的研究，然而这些材料只能生长在有强界面作用的衬底表面，从而破坏了它们原有的π轨道狄拉克态。我们的理论研究发现在4H-SiC(0001)表面的硅烯存在P_x,y新的拓扑态，并且通过贝里曲率计算证明了它是非平庸的，陈数为2。这将意味着硅烯在SiC(0001)可以实现量子反常霍尔效应，将有利于利用在纳米电子器件方面的应用。

成果简介

近日，湘潭大学物理与光电工程学院郭志新副教授(通讯作者)等人在Nano Letters 在线发表题为“Topological Dirac States beyond π‑Orbitals for Silicene on SiC(0001) Surface”的文章，研究者在强界面束缚作用下硅烯在SiC(0001)表面发现了P_x,y的狄拉克态，它是拓扑非平庸的。从而实验在此体系可以实现量子反常霍尔效应，进一步应用的纳米电子器件。本文的第一作者是李平博士、The University of Texas at Austin的李晓博士和湘潭大学机械工程学院的赵为副教授。本工作与湖南师范大学陈明星教授、北京大学冯济教授、复旦大学龚新高教授、The University of Texas at Austin的Allan H. MacDonald教授和Hua Chen博士合作完成，感谢牛谦教授Erio Tosatt教授和罗伟博士的有益讨论、得到国家自然科学基金(11604278, 11374252)的资助，在此一并表示感谢。

图文导读

图1.结构、模拟的STM、3D能带结构以及布里渊区

(a,b)c-top硅烯在SiC(0001)衬底表面的结构示意图；

(c)模拟的STM；

(d)c-top硅烯在SiC(0001)衬底表面的3D能带结构；

(e)c-top硅烯在SiC(0001)衬底表面的布里渊区。

图2.c-top硅烯在SiC(0001)衬底表面的能带结构和态密度

(a,c)c-top硅烯在SiC(0001)衬底表面的能带结构和态密度；

(b,d)剥离SiC衬底以后的能带结构和态密度。

图3. 狄拉克态的Kohn−Sham (KS)轨道

(a,c)高对称K点低能狄拉克态Kohn−Sham (KS)轨道的侧视图和俯视图；

(b,d)高对称K点高能狄拉克态Kohn−Sham (KS)轨道的侧视图和俯视图。

图4.c-top硅烯在SiC(0001)衬底上的能带结构

(a)c-top硅烯在4层SiC(0001)衬底上，考虑了自旋没有考虑SOC的能带结构；

(b)c-top硅烯在1层SiC(0001)衬底上，考虑了SOC的能带结构。

图5.c-top硅烯在SiC(0001)衬底上的贝里曲率

(a)3D的贝里曲率；

(b,c)2D的K和K’的贝里曲率。

图6.c-top硅烯的示意图和低能有效模型拟合的能带结构

(a)c-top硅烯的示意图，可以分成A和B两个部分；

(b)A用大的蓝色原子表示，B用小的黄色原子表示的六角蜂窝结构示意图；

(c)在K点DFT计算和低能有效模型拟合的能带结构。

总结和展望

 在这篇文章中，作者在c-top硅烯在SiC(0001)衬底体系中发现了π轨道以外的狄拉克态，通过贝里曲率计算证明了这个体系是拓扑非平庸的，陈数为2，表明此体系不需要任何磁性原子掺杂也可以实现量子反常霍尔效应。

文献链接：Topological Dirac States beyond π‑Orbitals for Silicene on SiC(0001) Surface (Nano Letters, 2017, DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b02855)

本文由郭志新老师团队投稿，材料牛编辑整理。

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