Topological insulators (TIs) have been found in strained binary HgTe and ternary I-III-VI2 chalcopyrite compounds such as CuTlSe2 which have inverted band structures. However, the non-trivial band gaps of these existing binary and ternary TIs are limited to small values, usually around 10 meV or less. In this work, we reveal that a large non-trivial band gap requires the material having a large negative crystal field splitting $Δ_{CF}$ at top of the valence band and a moderately large negative $s-p$ band gap $E_g^{s-p}$. These parameters can be better tuned through chemical ordering in multinary compounds. Based on this understanding, we show that a series of quaternary I2-II-IV-VI4 compounds, including Cu2HgPbSe4, Cu2CdPbSe4, Ag2HgPbSe4 and Ag2CdPbTe4 are TIs, in which Ag2HgPbSe4 has the largest TI band gap of 47 meV because it combines the optimal values of $Δ_{CF}$ and $E_g^{s-p}$.
New Candidates for Topological Insulators : Pb-based chalcogenide series
在这里，我们从理论上预测，一系列的铅基层状硫族化合物，Pb $_n$ Bi $_2$ Se $_{n+3}$和Pb $_n$ Sb $_2$ Te $_{n+3}$，是可能的新的候选人的拓扑绝缘体。随着$n$的增加，发现从拓扑绝缘体到能带绝缘体的相变发生在$n=2$和3之间。值得注意的是，在新的拓扑绝缘体中，我们在PbBi $_2$ Se $_4$中发现了0.40 eV的体带隙，这是最大带隙拓扑绝缘体之一，并且Pb $_2$ Sb $_2$ Te $_5$位于拓扑相边界的紧邻处，使得其拓扑相容易通过改变外部参数（例如晶格常数）来调节。由于相边界处的三维狄拉克锥，在Pb $_2$ Sb $_2$ Te $_5$中也可以容易地获得无质量的狄拉克费米子。
Two-Dimensional Group-IV Chalcogenide Si2Te2 film: A New Quantum Spin Hall Insulator with Sizable Band Gap
量子自旋霍尔（QSH）效应由于在绝缘体带隙中具有强的无带隙态而有望实现无耗散的输运器件。在这里，通过使用第一性原理计算，我们发现IV族硫属化物Si 2 Te 2薄膜是一个二维QSH绝缘体的基本带隙为0.29 eV，这是可调的外部应变。这种非平凡的拓扑相位源于Si-px，y和Te-px，y轨道之间的能带反转，由位于体隙中的狄拉克点的单对拓扑保护的螺旋边缘态证明。值得注意的是，边缘状态的特性，如费米速度和边缘形状，可以通过边缘修改来调整。此外，h-BN半导体是实验实现2D Si 2 Te 2薄膜的理想衬底，而不会破坏其非平凡的拓扑结构。我们的工作为基于二维硅基薄膜的拓扑自旋电子学器件的设计开辟了一条新的途径。
Dirac fermions at high-index surfaces of bismuth chalcogenide topological insulator nanostructures
二元铋硫属化物Bi $_2$ Se $_3$、Bi $_2$ Te $_3$和相关材料由于其简单的表面态带色散（单狄拉克锥）和相对大的体带隙而作为参考拓扑绝缘体（TI）目前被广泛研究。TI的纳米结构是特别感兴趣的，因为增加的表面体积比增强了表面状态的贡献，这意味着它们是潜在器件应用的有希望的候选者。到目前为止，绝大多数的研究工作都集中在低能量（0001）表面，这对应于这些层状材料中的自然解理面。然而，低维纳米结构（纳米片，纳米线，纳米带）的表面不可避免地涉及更高的折射率面。我们进行了系统的从头算研究铋硫属TI纳米结构的表面，其特征在于不同的晶体取向，原子结构和化学计量组成。我们发现几个稳定的终端的高指数表面，这可以实现在不同的值的化学势的组成元素之一。对于唯一定义的化学计量终止，拓扑狄拉克费米子状态被证明是强烈的各向异性与费米速度和自旋极化的表面取向上的一个明确的依赖。自掺杂效应和拓扑平凡的中间间隙状态的存在下被发现的非化学计量表面的特征。我们的研究结果铺平了道路，对实验控制的拓扑保护的表面状态铋硫族化物纳米结构。
Chemical Migration and Dipole Formation at van der Waals Interfaces between Magnetic Transition Metal Chalcogenides and Topological Insulators
金属和磁性覆盖层通过邻近效应而且通过改变Bi $_2$ Se $_3$子表面的组成和化学结构来改变拓扑绝缘体（TI）硒化铋（Bi $_2$ Se $_3$）的表面。采用X射线光电子能谱学（XPS）研究了Bi $_2$ Se $_3$和Mn金属或硒化锰之间的界面，揭示了界面处的化学和电子变化。在没有外部Se源的情况下，在Bi $_2$ Se $_3$上沉积Mn金属显示出由于Mn-Se键合而在Mn层内的意外键合，因为Se从Bi $_2$ Se $_3$层扩散到生长的Mn膜中。Se向外扩散进一步通过Bi $_2$ Se $_3$层内Bi核心能级的变化来证明，这表明主要是Bi-Bi键合超过Bi-Se键合。当过量的Se与Mn一起供应时，没有发生Se的外扩散，这表明为沉积的金属提供足够的硫族元素原子的重要性。然而，Bi $_2$ Se $_3$核心水平光电子表现出刚性化学位移朝向更高的结合能后，沉积单层的MnSe $_{2-x}$，表明在覆盖层内的偶极子。化学计量计算表明，单层形成MnSe优先于过渡金属二硫属化物（TMD）相MnSe $_2$，提供了一致的图片的偶极子形成中，一个平面的Se阴离子位于Mn阳离子。这项研究表明，化学扩散和偶极子的形成是很重要的Mn-Bi $_2$ Se $_3$和MnSe $_{2-x}$ -Bi $_2$ Se $_3$和TMD/TI接口更普遍应仔细考虑。
Emergence of a weak topological insulator from the Bi$_x$Se$_y$ family and the observation of weak anti-localization
强拓扑绝缘体的发现导致了凝聚态物理的巨大活动和新型拓扑材料的发现。基于铋的硫族化物是示例性强三维拓扑绝缘体，其在所有表面上具有奇数个无质量狄拉克费米子态。一个与这个概念不同的想法是弱拓扑绝缘体，其中只有某些表面终端主机表面状态的特点是偶数狄拉克锥导致令人兴奋的新物理。然而，在实验上，弱拓扑绝缘体已被证明是难以捉摸的。在这里，我们报告发现了一个弱的拓扑绝缘体（WTI），铋硒，铋硫族化物家庭的间接带隙为42毫电子伏。它的结构单元由铋双层（Bi $_2$）组成，铋双层是夹在两个Bi $_2$ Se $_3$单元之间的已知量子自旋霍尔绝缘体，两个Bi $_2$ Se $_3$单元是三维强拓扑绝缘体。角分辨光电子能谱（ARPES）测量和密度泛函理论（DFT）计算证实了BiSe的弱拓扑绝缘态的存在。此外，我们已经进行了磁输运测量单晶片以及薄膜的BiSe，表现出明显的签名弱反本地化在低温下，符合拓扑绝缘体的属性。
All-optical detection of periodic structure of chalcogenide superlattice using coherent folded acoustic phonons
硫系超晶格（SL）由GeTe和Sb $_{2}$ Te $_{3}$层的交替堆叠组成。该结构可以根据组成层的厚度变成3D拓扑绝缘体，使得SL周期的设计成为推进硫属化物SL作为自旋器件的潜在候选以及优化当前一代相变存储器器件的中心问题。在这里，我们探索的周期性结构的硫属化物SL观察相干折叠纵向声学（FLA）声子激发飞秒激光脉冲照射。FLA模式的峰值频率被观察到的GeTe层的厚度，这是很好地再现通过一个弹性连续模型的变化时的变化。此外，一个新的SL结构的样品组成的薄GeTe和Sb $_{2}$ Te $_{3}$层，这表明混合的Ge原子。这种基于相干FLA模式观察的全光学技术提供了原子分辨率的超晶格结构的非破坏性表征。
Interface-Induced Superconductivity in Magnetic Topological Insulator-Iron Chalcogenide Heterostructures
The Pennsylvania State University（宾夕法尼亚州立大学）；Rutgers University（罗格斯大学）；University of Washington（华盛顿大学）；Chinese Academy of Sciences（中国科学院）；Materials Research Institute, The Pennsylvania State University（宾夕法尼亚州立大学材料研究所）；National High Magnetic Field Laboratory（国家高磁场实验室）；Paul Scherrer Institute（保罗谢尔研究所）；National Institute of Standards and Technology（美国国家标准与技术研究院）
The role of surface chemical reactivity in the stability of electronic nanodevices based on two-dimensional materials "beyond graphene" and topological insulators
Efficient Spin-Orbit Torque Switching with Non-Epitaxial Chalcogenide Heterostructures
近年来，拓扑绝缘体（TI）产生的自旋轨道矩（SOT）受到越来越多的关注。这些TI通常由外延生长的硫族化合物形成，具有极高的SOT效率，在下一代自旋电子器件中具有很大的潜力。然而，这些硫族化物的外延需要确保拓扑保护的表面态（TSS）的存在，这限制了在工业中使用这些材料的可行性。在这项工作中，我们表明，非外延的Bi $_{x}$ Te $_{1-x}$ /铁磁异质结制备的常规磁控溅射具有巨大的SOT效率，即使没有TSS。通过谐波电压测量和磁滞回线位移测量，我们发现这种非外延异质结构的体自旋轨道相互作用产生的类阻尼SOT效率在室温下可以达到大于100%的值。我们进一步证明了这些Bi $_{x}$ Te $_{1-x}$为基础的异质结构与热稳定的铁磁层，这表明，这种非外延硫族化物材料可以是潜在的有效的SOT源在未来的SOT磁存储器件的电流诱导SOT开关。
Large-scale defects hidden inside a topological insulator grown onto a 2D substrate
拓扑绝缘体（TI）材料是集成到下一代存储器和逻辑器件中的令人兴奋的候选材料，因为它们具有高效、低能耗的磁化切换的潜力。具体地，铋硫族化物家族提供有效的自旋-电荷转换，因为其大的自旋-轨道耦合和表面态的自旋-动量锁定。然而，实现TI的承诺的一个主要障碍是薄膜材料的质量，这落后于外延生长的半导体。与后一种系统相反，Bi硫族化物通过范德华外延形成，这使得它们能够成功地生长在具有不同程度晶格失配的衬底上。这种灵活性使得能够将TI集成到具有新兴材料（包括二维材料）的异质结构中。然而，了解和控制TI膜内的局部特征和缺陷对于实现突破性器件性能至关重要。在这里，我们报告的观测和建模的大规模的结构缺陷（Bi，Sb）$_2$ Te $_3$薄膜生长到六方氮化硼，突出了意想不到的破坏旋转的薄膜和沿晶界共存的第二相。使用第一性原理计算，我们表明，这些缺陷可能会对依赖于这些TI薄膜的器件产生相应的影响，因此它们不能被忽略。
Topological Aspect and Quantum Magnetoresistance of $β$-Ag$_2$Te
为了解释在银硫族化合物中观察到的不寻常的非饱和线性磁电阻，基于无带隙线性能谱的假设，提出了量子方案。本文通过第一性原理计算表明，具有扭曲反萤石结构的$β$ $_2$ Te实际上是一种具有无带隙Dirac型表面态的拓扑绝缘体.这种新的二元拓扑绝缘体的特征是高度各向异性的狄拉克锥，与已知的例子，如Bi $_2$ Te $_3$和Bi $_2$ Se $_3$相反。费米速度通过旋转晶轴而改变一个数量级。
Spin-polarization of topological crystalline and normal insulator Pb$_{1-x}$Sn$_x$Se (111) epilayers probed by photoelectron spectroscopy
拓扑晶体绝缘体（TCI）表面的螺旋自旋织构使得这些材料在自旋电子学中的应用具有吸引力。本文利用角分辨光电子能谱（SR-ARPES）和自旋分辨光电子能谱（SR-ARPES）研究了（111）取向Pb $_{1-x}$ Sn $_x$ Se TCI外延膜的自旋极化和表面态电子结构。采用分子束外延（MBE）方法生长了不同Sn含量的高质量外延层。拓扑正常的绝缘体转变表现为带隙开放观察。结果表明，不仅可以通过改变外延层的Sn含量，而且还可以通过在其表面上沉积过渡金属（TM）来诱导间隙打开。在后一种情况下，所观察到的表面状态的缺口是由表面组成的变化，而不是由磁性。我们还表明，螺旋自旋极化不仅存在于拓扑组成的样品，但也为平凡的（具有开放的带隙）。所观察到的自旋极化达到30%的值的面内自旋分量，几乎不存在的面外的。我们相信，我们的工作将铺平道路的应用不仅拓扑，而且正常的铅锡硫族化合物的绝缘体的表面态的自旋电荷转换器件。
Understanding Bulk Defects in Topological Insulators from Nuclear-Spin Interactions
非侵入性的局部探针需要在二元和三元硫属化合物的体缺陷的特征。这些缺陷导致了拓扑绝缘体的非理想行为。用$^{125}$ Te核磁共振研究了Bi $_2$ Te $_3$，Sb $_2$ Te $_3$，Bi $_{0.5}$ Sb $_{1.5}$ Te $_3$，Bi $_2$ Te $_2$ Se和Bi $_2$ $_2$ Te $_2$ S.缺陷的分布引起粉末线形的不对称性。我们展示了如何骑士移位，线的形状和自旋晶格弛豫报告载流子密度，自旋轨道耦合和相分离的散装。本研究证实了有序三元化合物Bi $_2$ Te $_2$ Se是目前最好的TI候选材料。我们的研究结果，这是在良好的协议与运输和ARPES研究，帮助建立NMR探针作为一个有价值的方法来表征这些材料的本体属性。
Probing the local environment of two-dimensional ordered vacancy structures in Ga2SeTe2 via aberration-corrected electron microscopy
具有高浓度天然空位的硫属化物合金引起了人们极大的兴趣，这些空位导致热电和相变材料所需的性能。最近，空位有序已被确定为在GeSb 2 Te 4中观察到的金属-绝缘体转变和在Ga 2 Te 3中意外低的热导率的机制。在这里，我们报告的空位有序Ga 2SeTe 2利用像差校正电子显微镜的直接观察。图像揭示了一个阳离子-阴离子哑铃型反转与整个晶体的空位排序的住宿。结果是原生缺陷和局部结构之间相互作用的一个突出例子。
Step-edge assisted large scale FeSe monolayer growth on epitaxial Bi2Se3 thin films
铁硫族化物非常规超导体的兴趣是强烈的后，FeSe的临界温度被报道提高了一个以上的数量级的单层限制在界面处的绝缘氧化物衬底。在包括FeSe与拓扑绝缘体的界面的异质结构中，预测会出现例如{ \it拓扑超导性}形式的另外的感兴趣的物理现象。到目前为止，铁硫系单分子膜的超导特性主要是通过局域扫描隧道谱实验来研究的，局域扫描隧道谱实验可以检测到态密度中的赝能隙，作为库珀配对的指示。由于难以生长具有均匀材料性质的薄膜，因此很少报道可以证明或证伪超导相的直接宏观输运性质。在这里，我们报告了一个有前途的生长方法，以制造单层厚FeSe分子束外延生长的Bi $_2$ Se $_3$拓扑绝缘体薄膜的连续地毯。与先前使用原子级平坦解理的块体Bi $_2$ Se $_3$晶体表面的工作相比，我们观察到高台阶边缘密度（平台宽度约10 nm）对MBE生长的Bi $_2$ Se $_3$衬底的强烈影响，这显著地促进了具有小的四方晶体畸变的聚结FeSe畴的生长，而不损害下面的Bi $_2$ Se $_3$晶体结构。
