Nano Lett.：三元层状过渡金属硫族化合物的拓扑相变

【引言】

2016年诺贝尔物理学奖颁给了凝聚态物理中的拓扑态和拓扑相变的发现者们，近年来，三维的拓扑绝缘体、量子反常霍尔绝缘体、拓扑晶体绝缘体和拓扑半金属等新的拓扑相不断被发现并成为凝聚态物理领域的研究热点。原因是这些拓扑材料具有很奇特的电子结构和输运性能，以最近几年很热门的外尔半金属为例，外尔费米子存在两种“手性”，手性相反的外尔点总是会在动量空间中成对出现。在平行的电场和磁场作用下，电子会在“左手”外尔点处不断消失，而在“右手”外尔点处不断涌现，产生角度敏感的很强的负磁阻效应。其次，在外场微扰下，这种受保护的拓扑表面态在室温下可以稳定存在，具有很好鲁棒性，且由于受到拓扑保护，两个具有相反手性的外尓费米子之间的散射很弱，所以输运过程中非弹性散射产生的热耗散很小。因此这些拓扑材料在新型室温低能、低耗散电子器件中具有很大的应用潜力。

【成果简介】

2017年1月11日，麻省理工学院Junwei Liu（一作）、Liang Fu教授和德州农工大学Hua Wang（共同一作）、Xiaofeng Qian教授（通讯作者）以及中科院物理所Chen Fang研究员在Nano Letters上发表了题为“van der Waals Stacking-Induced Topological Phase Transition in Layered Ternary Transition Metal Chalcogenides”的文章。他们理论上预言了一类具有双重拓扑态的三元层状过渡金属硫族化合物MM’X4体系，并研究了其从二维拓扑量子自旋霍尔绝缘体到三维外尓半金属的拓扑相变过程与机制。

【图文导读】

图1 MM′Te4的晶体结构

（a）二维1T′型MM′Te4 的俯视和侧视图，虚紫线表示面内的Zigzag金属键。

（b）三维MM′Te4的侧视图。其中M（Ta和Nb）和M′（Ir和Rh）是过渡金属原子，M，M’，Te分别用绿色，橙色和灰色表示。

图2 以1T′-NbRhTe4为代表（1T′-MM′Te4）的电子结构

（a）1T′-NbRhTe4的二维布里渊区及其投影。

（b）考虑/不考虑自旋轨道耦合的电子能带结构。

（c，d）不同态密度的投在不同边界的投影。

图3 Td-NbRhTe4外尔半金属（体材料）的电子结构

（a）3D布里渊空间及其沿着z方向的上下表面投影，kz=0面有8个外尔点，连接不同外尔点的曲线为费米弧。

（b，c）W1、W2两个外尔点附近的电子结构。

（d，e）W1、W2两个外尔点附近的贝利曲率分布。

图4 Td-NbRhTe4的体态密度和表面态密度

（a，e）能级为0.125和-0.066 eV时（对应W1、W2两个外尓点）的体态密度。

（b，f）位于1,4象限的外尔点附近的体态密度。

（c，g）上表面态密度。

（d，h）下表面态密度。

图5 量子自旋霍尔绝缘体到外尔半金属的拓扑相变

（a）kz = 0 平面的外尔点随着有效层间距减小的演化。

（b-e）外尔点的产生、演化和湮灭过程。

图6 MM′Te4的动力学和热稳定性

（a）1T′-NbRh′Te4的声子色散关系。

（b）1H 和1T′ MM′Te4的能量差。

（c）层与层之间的结合能。

（d）MM′Te4的能隙。

【小结】

本文对四种层状的三元过渡金属硫化物进行了理论上的预言，并对它们作为一类新型的拓扑材料进行了研究。目前，三元层状过渡金属硫族化合物在结构和成分上具有很大的调控和设计空间，文中的研究结果为理解量子自旋霍尔效应和探索拓扑相变提供了理想的材料平台，并为二维材料和拓扑材料的研究提供了很好的方向和思路。

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

本文由材料人电子电工学术组大城小爱供稿，材料牛整理编辑。

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