Materials Studio 案例分享：双轴拉伸应变诱发二维SbAs半导体-拓扑绝缘体转变

Stibarsen或allemontite，是一种天然的锑化砷(SbAs)，与砷和锑具有相同的层状结构。因此，对二维SbAs纳米片的研究对于深入了解V-V基团化合物在原子尺度上的性质具有重要意义。在这里，我们提出了一类二维V-V蜂窝二元化合物，SbAs单分子层，它可以从半导体调谐到拓扑绝缘体。通过密度泛函理论计算,α-SbAs和γ-SbAs显示显著的直接带隙,而另一些则间接带隙。有趣的是,在一个原子薄层β-SbAs同构异形体,spin-orbital耦合非常显著,使带隙降低了200meV。特别是在双轴拉伸应变下,β-SbAs的带隙会随着形状的变化而变化，这使人联想到许多拓扑绝缘体中已知的带反转。我们发现β-SbAs在拉伸应变为12%时，Z2拓扑不变量是1，并且β-SbAs的非平凡拓扑特征也由在Γ点线性交叉的无间隙的边缘状态证实。这些超薄的V-V群半导体具有优异的性能，非常适合在光电子器件和量子自旋霍尔器件中应用。

南京理工大学曾海波教授课题组，张胜利等老师基于Materials Studio建立了V-V族二维半导体的基本物理图像，即未开发的蜂窝结构的SbAs，它可以从半导体调整到拓扑绝缘体。通过密度泛函理论(DFT)计算，计算了SbAs多晶型的结合能和声频色散，验证了它们的热力学和动力学稳定性。我们发现α-SbAs和γ-SbAs直接带隙半导体,而另一些则间接半导体。在蜂窝状α-SbAs,β-SbAs,γ-SbAs,δ-SbAs, 和ε-SbAs，β-SbAs环扣结构是最稳定的结构,和它的对应块体标准条件下存在。有趣的是,β-SbAs同构异形体的spin-orbital耦合非常显著导致带隙减少200meV。双轴拉伸应变下,随形状的相应变化β-SbAs的带隙可以关闭、重新打开,这让人想起在许多拓扑绝缘体中的能带反转。我们进一步证实了β-SbAs单层的非平凡拓扑特性,通过在拉伸应变为12%下的Γ点处线性交叉无间隙的边缘态。因此,二维β-SbAs单层是实现量子自旋霍尔(QSH)效应的一种很有前途的候选材料。

* PHYSICAL REVIEW B 93, 245303 (2016)