A Novel Quasi-One-Dimensional Topological Insulator in Bismuth Iodide $β$-Bi$_4$I$_4$
Gabriel Autès, Anna Isaeva, Luca Moreschini, Jens C. Johannsen, Andrea Pisoni, Ryo Mori, Wentao Zhang, Taisia G. Filatova, Alexey N. Kuznetsov, László Forró, Wo… 展开作者
Gabriel Autès, Anna Isaeva, Luca Moreschini, Jens C. Johannsen, Andrea Pisoni, Ryo Mori, Wentao Zhang, Taisia G. Filatova, Alexey N. Kuznetsov, László Forró, Wouter Van den Broek, Yeongkwan Kim, Keun Su Kim, Alessandra Lanzara, Jonathan D. Denlinger, Eli Rotenberg, Aaron Bostwick, Marco Grioni, Oleg V. Yazyev
最近在物质拓扑态领域的进展（1，2）主要是由铋和锑硫属化物块体拓扑绝缘体（TI）的发现（3-6）开始的，随后是密切相关的三元化合物（7-16）和几个弱TI的预测（17-19）。然而，Z $_2$分类的概念丰富性以及它们的结构和成分多样性都远未被充分利用。在准一维碘化铋Bi $_4$ I $_4$的$β$ -相中，理论预测并实验证实了一种新的Z $_2$拓扑绝缘体. $β$ -Bi $_4$ I $_4$的电子结构由Z $_2$不变量（1;110）表征，接近于弱TI相（0;001）和平凡绝缘体相（0;000）.我们在（001）表面上的角分辨光电子能谱测量揭示了位于表面布里渊区点处的高度各向异性的带交叉特征，并且没有显示出光子能量的色散，因此与理论预测完全一致。
英文摘要：
Recent progress in the field of topological states of matter(1,2) has largely been initiated by the discovery of bismuth and antimony chalcogenide bulk topological insulators (TIs)(3-6), followed by closely related ternary compounds(7-16) and predictions of several weak TIs(17-19). However, both the conceptual richness of Z$_2$ classification of TIs as well as their structural and compositional diversity are far from being fully exploited. Here, a new Z$_2$ topological insulator is theoretically predicted and experimentally confirmed in the $β$-phase of quasi-one-dimensional bismuth iodide Bi$_4$I$_4$. The electronic structure of $β$-Bi$_4$I$_4$, characterized by Z$_2$ invariants (1;110), is in proximity of both the weak TI phase (0;001) and the trivial insulator phase (0;000). Our angle-resolved photoemission spectroscopy measurements on the (001) surface reveal a highly anisotropic band-crossing feature located at the point of the surface Brillouin zone and showing no dispersion with the photon energy, thus being fully consistent with the theoretical prediction.
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。
The d-p band-inversion topological insulator in bismuth-based skutterudites
方钴矿是近年来引起人们极大兴趣的一类笼状晶体材料，它是重费米子超导、激子介导超导态和Weyl费米子等异常现象的孕育地。在这里，我们预测了一个新的拓扑绝缘体在铋基方钴矿，其中涉及的拓扑带反转过程中的能带是d-和p-轨道，这是不同于通常的拓扑绝缘体，例如在Bi 2 Se 3和Bi Te I中，涉及的拓扑带反转过程中的能带只有p-轨道。由于大d电子态的存在，这种拓扑绝缘体中的电子相互作用比其他传统拓扑绝缘体中的强得多。通过结合能计算、声子模式分析和有限温度分子动力学模拟验证了新材料的稳定性。这种新材料可以为器件提供接近零电阻率的信号电流，有望在自旋电子学器件中得到应用。
Spin- and Angle-resolved Photoelectron Spectroscopy Study of the Quantum Spin Hall Insulator Bismuthene and its Precursor Phase
Chemnitz University of Technology（开姆尼茨工业大学）；Research Center for Materials, Architectures and Integration of Nanomembranes (MAIN)（纳米膜材料、架构与集成研究中心）；MAX IV Laboratory（MAX IV 实验室）；Lund University（隆德大学）
Lateral lattice coherence lengths in thin films of bismuth telluride topological insulators, with overview on polarization factors for X-ray dynamical diffraction in monochromator crystals
在文章“铋碲化物拓扑绝缘体的范德华外延中的缺陷动力学”（J. Phys. Chem. C 2019，123，24818-24825，doi：10.1021/acs.jpcc.9b05377）的支持信息文件中，开发或重新讨论了关于薄膜X射线衍射分析的几个主题。主要发展了一个简单的计算薄膜横向晶格相干长度的公式（部分S4 -薄膜中的横向晶格相干长度），而单色晶体中的X射线动态衍射模拟则是一个有趣的综述，它揭示了$π$和$σ$偏振分量之间的比率如何受到衍射是在运动学还是动态状态下发生的影响（第S3节-极化系数）。
Morphology Control in van der Waals Epitaxy of Bismuth Telluride Topological Insulators
碲化铋作为拓扑绝缘体的原型，重新受到人们的关注。高质量的薄膜作为新型自旋电子器件的基础平台已经被研究。铋的低迁移率和碲化物的高解吸系数组成的方案中，生长参数对薄膜的结构和电子性能的影响剧烈。最近[J. Phys. Chem. C 2019，123，24818-24825]，已经对这种材料的外延膜中的缺陷的动力学进行了详细的研究，揭示了膜/衬底晶格失配对膜的横向相干性的影响。非常小的晶格失配（<0.05%）预期对外延系统的质量没有影响，其中原子层通过范德华力彼此弱结合，与观察到的相反。在这项工作中，我们调查的晶格失配和薄膜晶畴的大小和形态之间的相关性。使用同步加速器X射线获得的薄膜布拉格反射的三维倒空间图用于可视化整个薄膜厚度的结晶畴的空间构造，而原子力显微镜图像提供了薄膜表面畴形态的直接信息。
The role of surface chemical reactivity in the stability of electronic nanodevices based on two-dimensional materials "beyond graphene" and topological insulators
Field driven Metal-Insulator transition in rhombohedral Bismuth and Arsenic crystals
CSIR-National Physical Laboratory（印度国家物理实验室）；Academy of Scientific and Innovative Research (AcSIR)（科学与创新研究学院）；Institute of Mathematical Sciences（数学科学研究所）
Topological nature and the multiple Dirac cones hidden in Bismuth high-Tc superconductors
最近的理论研究采用密度泛函理论预测BaBiO $_{3}$（当掺杂电子时）和YBiO $_{3}$成为具有大拓扑能隙（~ 0.7 eV）的拓扑绝缘体（TI）。这一点，再加上对表面氧化的天然稳定性，使得氧化铋家族在量子信息和自旋电子学中的可能应用特别令人感兴趣。中心问题，我们在这里研究的是，是否空穴掺杂的铋氧化物，即Ba $_{1-x}$ K $_{x}$ Bi O $_{3}$和BaPb $_{1-x}$ Bi $_{x}$ O $_{3}$，这是“高Tc”体超导接近30 K，另外显示在其费米能$E_{F}$附近的Dirac型拓扑表面状态的拓扑间隙。我们的电子结构计算预测的K-掺杂的家庭出现作为TI，与拓扑间隙以上$E_{F}$。因此，这些化合物可以成为具有空穴掺杂的超导体和具有额外电子掺杂的潜在TI。此外，我们预测铋氧化物家族包含一个额外的狄拉克锥低于$E_{F}$进一步的空穴掺杂，这表明这些系统是电子和空穴掺杂的拓扑绝缘体的候选人。
到目前为止，材料的拓扑性质与其晶体结构的特征相关联，尽管平移对称性不是拓扑相的明确要求。最近对随机格点上跳跃模型的研究表明，无定形模型系统具有非平凡拓扑。使用{ \it ab initio}计算，我们表明，二维非晶材料也可以显示拓扑绝缘体属性。更具体地说，我们提出了一个现实的国家的最先进的研究非晶铋系统的电子和输运性质，表明这些材料是拓扑绝缘体。这些系统的特点是由拓扑指数$\mathbb{Z}_{2}=1$和散装边缘的对偶性，和他们的线性电导量子化，${\cal G}=2e^{2}/h$，费米能量的拓扑间隙内。我们的研究为非晶拓扑绝缘体材料的实验和理论研究开辟了道路。
Beijing National Laboratory for Condensed Matter Physics, and Institute of Physics, Chinese Academy of Sciences（中国科学院物理研究所，北京凝聚态物理国家实验室）；University of Chinese Academy of Sciences（中国科学院大学）；Condensed Matter Physics Data Center, Chinese Academy of Sciences（中国科学院凝聚态物理数据中心）
Strain Effects in Topological Insulators: Topological Order and the Emergence of Switchable Topological Interface States in Sb$_2$Te$_3$/Bi$_2$Te$_3$ Heterojunctions
应变能诱导二硫属铋的拓扑相变。本文给出了三维拓扑绝缘体Bi $_2$ Te $_3$，Sb $_2$ Te $_3$，Bi $_2$ Se $_3$和Sb $_2$ Se $_3$在单轴应变和双轴应变下的相图，显示了拓扑平凡和非平凡的金属相和绝缘相.特别是，单轴张力可以将Sb $_2$ Te $_3$驱动到拓扑上微不足道的绝缘相。因此，我们提出了一种Sb $_2$ Te $_3$ /Bi $_2$ Te $_3$异质结，其中拓扑界面状态出现在该拓扑绝缘体-正常绝缘体异质结的公共间隙中，可以通过单轴应变打开或关闭。该界面态被限制在Sb $_2$ Te $_3$子系统中，并且被物理保护免受环境杂质的影响。因此，Sb $_2$ Te $_3$ /Bi $_2$ Te $_3$异质结可以具有稳健的螺旋界面态，具有有前景的自旋电子学应用。
