最大能隙拓扑绝缘体

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1、研究快讯最大能隙拓扑绝缘体*2015—05—07收到†email:Jinglu@pku.edu.cn宋志刚杨金波吕劲†DOI：10.7693/wl20150806(北京大学物理学院北京100871)按照导电性通常把晶体分为金属、半金属、绝缘体，其体能隙最大达到1.08eV，是目前拓扑半导体和绝缘体四类，他们的导电性依次降低。绝缘体的体能隙的最大值，有望成为第三代拓扑近些年来，一种新的晶体被发现，它的体内是绝绝缘体(图1(b))。缘的而表面可以是金属态，这种特性是由贝里曲BiX/SbX单层结构和石墨烷类似，Bi/Sb原子组率在布里渊区域的拓扑性质决定的，因此被称为成一个六元环，存在不等价A，B

2、两个位置，占在拓扑绝缘体。不同于普通绝缘体的能带，拓扑绝A，B晶格上的Bi/Sb原子组不在同一平面内，存在缘体的表面态(或者边缘态)存在锥状能带[1]，这和着起皱(h=0.8—2.4Å)(图2(a))。从热力学的角度来光子的色散关系相似[2]，这种能带物质代表一种看，这种二元结构的形成能相对Bi/Sb和H的单质相对论准粒子，可以用狄拉克方程描述，因此被来说是正的，也就是说单质更稳定。但是BiH3/称为狄拉克费米子[3]。SbH3分子是存在的，而且形成能高于单层BiH/SbH，因此单层BiH/SbH(我们称之为铋烷/锑烷)也拓扑绝缘体因存在奇异的导电的表面态，近可能是存在的。同时振动分析表明，

3、单层BiH/年来在科学界引起了极大的关注。二维的拓扑绝SbH无虚频，这也证明单层BiH/SbH是动力学稳缘体在边缘态存在一维金属态，可以表现出自旋[4]量子霍尔效应，故又称为量子自旋霍尔绝缘体。[4]二维的拓扑绝缘体在边缘态是背散射禁止的，因此电阻比较小。在时间反演对称性不被破坏的情况下，二维拓扑绝缘体在边缘态承载无电流的自旋流(图1(a))，有望作为自旋电子器件材料。能隙是拓扑绝缘体的最重要指标之一。拓扑绝缘体图1(a)单层蜂巢状量子自旋霍尔绝缘体的边缘态示意图；如果体能隙小，在制备过程中带来的掺杂或者在(b)拓扑绝缘体按体能隙的代划分示意图有限温度下的热激发会使其体内产生载流子，尽管这不

4、会破坏表面态但是会对表面的金属态的测量和应用产生干扰。寻找大体能隙材料，一直是[5]拓扑绝缘体研究的一个努力方向。按体能隙大小可将拓扑绝缘体划分为不同的代：第一代以BixSb1-x为代表，体能隙大约0.1eV；第二代以[6—8]Bi2Se3为代表，体能隙约为0.3eV。最近北京大学的杨金波课题组、吕劲课题组和北京理工大学姚裕贵课题组合作，通过第一性原理计算，预测六角蜂巢状的功能化的Bi和Sb图2(a)单层Bi(Sb)X(X=H，F，Cl和Br)晶体结构的俯视图单层(BiX/SbX，X=H，F，Cl，Br)是稳定的拓扑和侧视图（在一个单元晶胞中，Bi'X'/Sb'X'原子是BiX/SbX原子的

5、空间反演结果）；(b)单层BiX/SbX的第一布里渊区域和*国家自然科学基金(批准号：51371009，51171001，11174337，高对称点；(c)单层BiH的声子谱11225418，50971003，11274016)资助项目·44卷(2015年)8期·527·研究快讯属。由于元素Bi/Sb的相对论效应很强，不考虑自旋轨道耦合是不合理的，在考虑自旋轨道耦合效应之后，单层BiX在K和K'点会出现约1.2eV的局域带隙，导致整个材料成为具有大约1eV间接带隙的半导体，这是目前发现的最大带隙的拓扑绝缘体，是Bi2Se3的三倍。单层BiX/SbX的能带在K和K'点主要由Bi/Sb的px和p

6、y轨道成分构成(图3)，低能模型显示，单层BiX/SbX在K和K'点主要是在位型的自旋轨道耦合。而石墨烯在K和K'点的能带由C的pz成分构成，自旋轨道耦合是跳跃式的。先前的理论表明，图3不考虑自旋轨道耦合(灰线)和考虑自旋轨道耦合(红线)的单层BiX的能带px和py轨道成分狄拉克费米子可以形结构(a)单层BiH；(b)单层BiF；(c)单层SbF(费米能级设定为零。费米能级处成拓扑平带，实现电子维格纳结晶的能带由px和py电子轨道组成，线宽正比于px和py电子轨道权重)；(d)单层BiH[9，10]化。理论上来说应该存在两条拓的n-场构型(两个倒格矢G1和G2构成了120°的夹角。空心圆和实

7、心圆分别代表n=1和n=-1，空白代表n=0。Z2拓扑不变量是通过对布里渊区域上的n求和并且扑平带，事实上单层BiX/SbX的能带对2求余得到的)只有一条拓扑平带(费米面下第二条)，另一条由于杂化作用而不存在。一种绝缘体是否是拓扑绝缘体，最直接的方法是，看其是否存在自旋锁定的边缘态，或者计算布里渊区域的拓扑序参量(Z2)。Z2=0标志着普通绝缘体，Z2=1标志拓扑绝缘体。三维体系需要用4个序参量来描述其拓扑性