節(jié)線拓?fù)浒虢饘贀碛械碾娮咏Y(jié)構(gòu)

01 引言

拓?fù)洳牧献鳛橐活惥哂歇毺亓孔游飸B(tài)性質(zhì)的特殊材料，其相關(guān)研究受到科研人員的廣泛關(guān)注和重視。尤其是在拓?fù)浣^緣體的理論預(yù)測被實驗首次成功觀測后，拓?fù)洳牧系南嚓P(guān)研究迅速成為當(dāng)前凝聚態(tài)物理和材料等領(lǐng)域的前沿?zé)狳c方向。隨著微納加工技術(shù)的工藝進步和制造設(shè)備大量普及，以及材料計算領(lǐng)域高通量的應(yīng)用，拓?fù)洳牧霞易鍙妮^早的拓?fù)浣^緣體逐步拓展到拓?fù)浒虢饘袤w系。同拓?fù)浣^緣體類似，拓?fù)浒虢饘俨牧弦泊嬖谑艿綄ΨQ性保護的能帶反轉(zhuǎn)情況，但與拓?fù)浣^緣體最根本的區(qū)別在于，拓?fù)浒虢饘俚捏w態(tài)不是絕緣的而是金屬性的，并且在費米能級附近的能帶重疊區(qū)域呈現(xiàn)顯著的線性交叉特性。本項目重點關(guān)注節(jié)線拓?fù)浒虢饘?，主要原因在于?jié)線拓?fù)浒虢饘贀碛懈鼮樘厥獾?a target="_blank">電子結(jié)構(gòu)。主要體現(xiàn)在，節(jié)線拓?fù)浒虢饘僦心軒Ы徊嫘纬傻牟辉偈橇憔S的節(jié)點，而是一維的節(jié)線（可以看做是由一系列連續(xù)的Dirac或者Weyl點構(gòu)成）。由于其特殊的節(jié)線型能帶交叉，節(jié)線拓?fù)浒虢饘僬宫F(xiàn)許多新奇的物理特征，包括鼓膜狀的拓?fù)浔砻鎽B(tài)，豐富的磁、電輸運行為等。

02 成果簡介

通過本項目的開展，基于第一性原理計算和材料結(jié)構(gòu)搜索預(yù)測，成功預(yù)言了一系列正交結(jié)構(gòu)Ti基雙元半金屬材料TiX2（X = S， Se 和 Te），尤其是其能帶結(jié)構(gòu)在費米能級附近展示出了一個拓?fù)涔?jié)線環(huán)。對比以往報道的拓?fù)涔?jié)線材料，該體系中的拓?fù)涔?jié)線表現(xiàn)出了如下的優(yōu)越特性：1）費米能帶附近能帶結(jié)構(gòu)簡單，只存在拓?fù)涔?jié)線相關(guān)能帶的交叉，其他部位存在很大的帶隙；2）對應(yīng)的拓?fù)涔?jié)線正好分布在費米能級附近，對于后期實驗觀測難度要求較??；3）只存在一個拓?fù)涔?jié)線環(huán)，沒有其它額外拓?fù)湓?，有利于?jié)線環(huán)的相關(guān)屬性研究。如此理想的拓?fù)涮匦?，可以進一步激發(fā)相關(guān)實驗和理論工作的開展。最后，由于該材料體系還未經(jīng)過實驗合成，我們通過計算研究了其穩(wěn)定性，尤其是通過鴻之微的DS-PAW軟件驗證了其機械力學(xué)穩(wěn)定性，并提供了相應(yīng)的力學(xué)性能參數(shù)，可為后期實驗合成和應(yīng)用提供一定指導(dǎo)。

03 圖文導(dǎo)讀

Figure 1 The crystal structure for TiS2 material and its corresponding Brillouin zone with high symmetry points and paths. The translucent blue color shaded area indicates the ky = 0 plane projection.

Figure 2： The calculated phonon dispersion spectrum in the left panel and directional dependent mechanical properties in the right panel for TiS2 material.

Figure 3： The calculated electronic band structures near the Fermi energy level for TiS2 material. Two band crossing points around Fermi energy level are indicated by the blue arrows. The element contribution is projected by the color weight.

Figure 4： The calculated band dispersions for TiS2 material in the ky = 0 plane in the left panel. Note that only the two intersecting bands are shown and their crossing forms a ring， as highlighted by the red color dot. The high symmetry points are marked on the bottom rectangle of ky = 0 plane， where several path segments are shown. In the left panel， band structures along these path segments are displayed and the maximum energy variation for the crossing points is derived as 0.04 eV.

Figure 5： The band structure comparison a） for TiS2 material along Z?Γ?X path between the DFT calculation and Wannier function fitting without SOC effect. The corresponding surface band structure projection in ky = 0 plane for Ti-termination b） and S-termination c）。 The drumhead surface states are denoted by arrows.

Figure 6： The band structure comparison a） for TiS2 material along Z?Γ?X path between the DFT calculation and Wannier function fitting with SOC effect. The induced gap values are indicated in the figure. The corresponding surface band structure projection in ky = 0 plane for Ti-termination b） and S-termination c）。 The drumhead surface states are denoted by arrows.

Figure 7： The stack plot of constant energy contours without SOC effect a） and with SOC effect b） for the surface band structure projection of TiS2 material in ky = 0 plane with Ti-termination. The evolution of the drumhead surface states at different energy slices are indicated by the arrows.

04 小結(jié)

本工作組基于第一性原理計算和材料結(jié)構(gòu)搜索預(yù)測，預(yù)言了一系列正交結(jié)構(gòu)Ti基雙元半金屬材料TiX2（X = S， Se 和 Te），其能帶結(jié)構(gòu)在費米能級附近展示出性質(zhì)十分理想的拓?fù)涔?jié)線環(huán)。通過計算研究了其穩(wěn)定性，尤其是通過DS-PAW軟件驗證了其機械力學(xué)穩(wěn)定性，并提供了相應(yīng)的力學(xué)性能參數(shù)，可為后期實驗合成和應(yīng)用提供一定指導(dǎo)。

原文標(biāo)題：文獻賞析｜節(jié)線型拓?fù)浒虢饘倮碚擃A(yù)測和研究

文章出處：【微信公眾號：鴻之微】歡迎添加關(guān)注！文章轉(zhuǎn)載請注明出處。