2023年9月8日，Phys. Rev. B在线发表了山东大学
牛成旺教授和戴瑛教授
课题组的研究论文，题目为《
Ferroelectric heterobilayer with tunable first- and higher-order topological states
》。
作为非平庸现象的概念里程碑，Z
2
拓扑绝缘体（TIs）和高阶
拓扑绝缘体
（HOTIs）极大地重塑了基础物理和材料的格局。然而，尽管取得了令人兴奋的进展，
Z
2
拓扑绝缘体
和
高阶拓扑绝缘体
之间的可调拓扑相变仍然难以捉摸。在此研究中，使用紧束缚（TB）模型和第一性原理计算，作者提出
铁电转换可以是一种简单有效的方法来设计具有显著不同体-边对应关系的
Z
2
拓扑绝缘体和高阶拓扑绝缘体
相
。值得注意的是，基于Wannier电荷中心（WCC）、边缘态和角态分析，
确
定
由
Mg
Al
2
Se
4
和In
2
S
3
组成的铁电异质双层作为预测拓扑相变的候选材料
。显然，铁电转换为桥接一阶和高阶拓扑开辟了一条技术途径，在拓扑电子和铁电器件中具有很高的创新应用可能性。
图1
(a) TB模型的俯视图和侧视图；(b) 下层单层的晶格；(c)
TB
模型的相图
随着能量偏移Δe的变化；(d, g) 能量偏移Δe=6.39和Δe=7.21的
TB
模型的能带结构；(e, h) 对应的拓扑边缘谱；(f) 能量偏移Δe=6.39时WCC沿k
2
的演化；(i) 考虑SOC时TB模型的三角形纳米片的能谱
图2
(a) In
2
S
3
单层晶体结构的俯视图；(b-c) 向外极化P
o
和向内极化P
i
的MgAl
2
Se
4
/
In
2
S
3
异质双层
的侧面图；(d-e)
In
2
S
3
单层和
异质双层
的平面平均静电势
图3
铁电
MgAl
2
Se
4
/
In
2
S
3
异质
双层
的电子能带结构
图4
(a, d) 向外极化和向内极化的
MgAl
2
Se
4
/
In
2
S
3
异质
双层的
WCC演化；(b, e)
对应的
拓扑边缘谱；(c) 二维Z
2
拓扑绝缘体和边界上螺旋边缘态的示意图；(f) 向内极化的
In
2
S
3
/Sb异质
双层
的三角形纳米片的能谱和电荷分布
图5
能量偏移
Δe=6.39
的TB模型能带结构
图6
(a-e)
MgAl
2
Se
4
/
In
2
S
3
异质
双层
在SOC作用下从P
o
相转变为P
i
相时的能带结构演化；(f-j) 不同能量偏移
Δe
(
6.39~7.21
)下含SOC的TB模型能带结构
图7
(a, c) 向外极化
P
o
和向内极化
P
i
的Cu
2
Br
2
/
In
2
S
3
异质
双层
的侧面图；(b, f) 考虑SOC的
Cu
2
Br
2
/
In
2
S
3
异质
双层
在向外极化和向内极化下的电子能带结构；(c, g) 对应的拓扑边缘谱；(d) 向外极化
Cu
2
Br
2
/
In
2
S
3
异质双层WCC的演化；(h) 向内极化的异质双层三角形纳米片的能谱和电荷分布
图8
(a, c) 向外极化
P
o
和向内极化
P
i
的Sb/
In
2
Se
3
异质双层的侧面图；(b, f) 考虑SOC的
Sb/
In
2
Se
3
异质双层在向外极化和向内极化下的电子能带结构；(c, g) 对应的拓扑边缘谱；(d) 向外极化
Sb/
In
2
Se
3
异质双层WCC的演化；(h) 向内极化的异质双层三角形纳米片的能谱和电荷分布
图9
(a, c) 向外极化P
o
和向内极化P
i
的
Cu
2
I
2
/
In
2
Se
3
异质双层的侧面图；(b, f) 考虑SOC的
Cu
2
I
2
/
In
2
Se
3
异质双层在向外极化和向内极化下的电子能带结构；(c, g) 对应的拓扑边缘谱；(d) 向外极化
Cu
2
I
2
/
In
2
Se
3
异质双层WCC的演化；(h) 向内极化的异质双层三角形纳米片的能谱和电荷分布
Li, R., Mao, N., Cai, L. et al.
Ferroelectric heterobilayer with tunable first- and higher-order topological states
.
Phys. Rev. B
,
2023
, 108, 125302. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.108.125302
【其他相关文献】
[1]
Schindler, F., Cook, A.M., Vergniory, M.G. et al. Higher-order topological insulators,
Sci. Adv
.,
2018
, 4, eaat0346. https://doi.org/10.1126/sciadv.aat0346
[2]
Chen, C., Song, Z., Zhao, JZ. et al. Universal Approach to Magnetic Second-Order Topological Insulator.
Phys. Rev. Lett.
,
2020
, 125, 056402. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.125.056402
(纯计算)山东大学牛成旺/戴瑛团队Phys. Rev. B: 二维铁电高阶拓扑绝缘体
(纯计算)山东大学牛成旺/戴瑛团队Phys. Rev. B: 蜂窝状铁磁体中的二阶拓扑绝缘体和可调拓扑相变
(纯计算)山东大学牛成旺/戴瑛团队Appl. Phys. Lett.: 2H-FeX2中可调的二阶拓扑绝缘体
山东大学牛成旺和戴瑛团队Nano Lett.:二维蜂窝状铁磁体中具有巨谷极化的二阶拓扑绝缘体
(纯计算)巴西弗鲁米嫩塞联邦大学Phys. Rev. Lett.: TMDs单层中高阶拓扑与轨道霍尔效应的联系
(纯计算)中国科学技术大学王征飞团队Nano Lett.: 氢取代石墨炔中赝自旋极化的双高阶拓扑
(纯计算)亚利桑那大学J. Am. Chem. Soc.: 有机高阶拓扑绝缘体—基于异质三角烯的COFs
