石墨烯的功能操縱研究是基礎(chǔ)研究和實際應(yīng)用的關(guān)鍵課題。在本研究中，我們提出在SiC上外延石墨烯中插入5
d過渡金屬是一種很有前景的策略，可以實現(xiàn)石墨烯中具有有限帶隙的拓撲非平凡相。采用基于密度泛函理論的第一性原理計算，我們證明了Re-和Ta -插層石墨烯演變成二維拓撲絕緣體。它們分別表現(xiàn)為具有拓撲帶隙的線性狄拉克錐和二次帶。這些拓撲態(tài)的出現(xiàn)是由于插層劑的自旋軌道耦合強度強。我們證明了相應(yīng)的拓撲邊緣狀態(tài)在有限體帶隙內(nèi)持續(xù)存在，與體邊界對應(yīng)一致。此外，我們還探討了由逆對稱破缺和自旋軌道耦合引起的能帶結(jié)構(gòu)的自旋分裂。我們的研究強調(diào)了石墨烯的嵌入是一種有效和可行的方法，用于操縱帶隙和石墨烯的拓撲性質(zhì)。這種嵌入石墨烯系統(tǒng)在自旋電子學(xué)和低維量子器件應(yīng)用中具有潛在的實用性。
圖1. SiC上Re-插層外延石墨烯的原子結(jié)構(gòu)。(a)示意圖。原子結(jié)構(gòu)的(b)俯視圖和(c)側(cè)視圖。
圖2. SiC上Re-插層外延石墨烯的電子能帶結(jié)構(gòu)。(a)帶SOC和(b)不帶SOC的能帶結(jié)構(gòu)。(c) Re
d和石墨烯的貢獻C
pz，狀態(tài)分別用綠色實心圈和紅色空心圈表示。(d)含SOC的K附近能帶結(jié)構(gòu)。(e)相應(yīng)的BZ。
圖3. Ta-嵌入外延石墨烯的電子能帶結(jié)構(gòu)。（a）有SOC和（b）沒有SOC的Г附近能帶結(jié)構(gòu) （c） 具有和（d）不具有SOC。
圖4. 插層外延石墨烯的拓撲邊緣態(tài)。(a) Re-插層和(b) Ta-插層外延石墨烯的邊緣態(tài)色散。
相關(guān)研究成果由愛荷華州立大學(xué)美國能源部艾姆斯實驗室、首爾科技大學(xué)自然科學(xué)學(xué)院Minsung Kim等人于2023年發(fā)表在Solid State Communications (https://doi.org/10.1016/j.ssc.2023.115337)上。原文：Topological band gap in intercalated epitaxial graphene
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
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