爱荷华州立大学美国能源部艾姆斯实验室、首尔科技大学自然科学学院Minsung Kim等–插层外延石墨烯的拓扑带隙

石墨烯的功能操纵研究是基础研究和实际应用的关键课题。在本研究中，我们提出在SiC上外延石墨烯中插入5d过渡金属是一种很有前景的策略，可以实现石墨烯中具有有限带隙的拓扑非平凡相。采用基于密度泛函理论的第一性原理计算，我们证明了Re-和Ta -插层石墨烯演变成二维拓扑绝缘体。它们分别表现为具有拓扑带隙的线性狄拉克锥和二次带。这些拓扑态的出现是由于插层剂的自旋轨道耦合强度强。我们证明了相应的拓扑边缘状态在有限体带隙内持续存在，与体边界对应一致。此外，我们还探讨了由逆对称破缺和自旋轨道耦合引起的能带结构的自旋分裂。我们的研究强调了石墨烯的嵌入是一种有效和可行的方法，用于操纵带隙和石墨烯的拓扑性质。这种嵌入石墨烯系统在自旋电子学和低维量子器件应用中具有潜在的实用性。

图1. SiC上Re-插层外延石墨烯的原子结构。(a)示意图。原子结构的(b)俯视图和(c)侧视图。

图2. SiC上Re-插层外延石墨烯的电子能带结构。(a)带SOC和(b)不带SOC的能带结构。(c) Re d和石墨烯的贡献C p_z，状态分别用绿色实心圈和红色空心圈表示。(d)含SOC的K附近能带结构。(e)相应的BZ。

图3. Ta-嵌入外延石墨烯的电子能带结构。（a）有SOC和（b）没有SOC的Г附近能带结构 （c） 具有和（d）不具有SOC。

图4. 插层外延石墨烯的拓扑边缘态。(a) Re-插层和(b) Ta-插层外延石墨烯的边缘态色散。

相关研究成果由爱荷华州立大学美国能源部艾姆斯实验室、首尔科技大学自然科学学院Minsung Kim等人于2023年发表在Solid State Communications (https://doi.org/10.1016/j.ssc.2023.115337)上。原文：Topological band gap in intercalated epitaxial graphene