Structural diversity and topological property of I-based two-dimensional inorganic molecular crystals

单层 物理 卤素 分子间力 带隙 分子 材料科学 结晶学 拓扑(电路) 凝聚态物理 纳米技术 量子力学 化学 组合数学 数学 有机化学 烷基
作者
Zhili Zhu,J.H. Gu,Jiaqing Gao,Weiguang Chen,Chunyao Niu,Ping Cui,Yu Jia,Zhenyu Zhang
出处
期刊:Physical review [American Physical Society]
卷期号:108 (11) 被引量:1
标识
DOI:10.1103/physrevb.108.115409
摘要

Two-dimensional inorganic molecular crystals (2D IMCs) consisting of compound molecules are emerging as a new branch of the 2D materials family. Based on first-principles calculations, here we propose a 2D IMC class assembled from diatomic molecules whose building blocks are derived from a single element, iodine. We reveal that 2D monolayers of halogen-bonded ${\mathrm{I}}_{2}$ molecules can be stabilized with distinct structures of $\ensuremath{\alpha}$-I, $\ensuremath{\beta}$-I, and $\ensuremath{\gamma}$-I, and these allotropes are collectively named iodene. Intriguingly, the intermolecular angle between two neighboring ${\mathrm{I}}_{2}$ units demonstrate magic angles of ${90}^{\ensuremath{\circ}},{120}^{\ensuremath{\circ}}$, and ${180}^{\ensuremath{\circ}}$ for $\ensuremath{\alpha}$-I, $\ensuremath{\beta}$-I, and $\ensuremath{\gamma}$-I, respectively, which serves as a degree of freedom to modulate the structural and electronic properties of iodene monolayers. The $\ensuremath{\gamma}$-I behaves as a quantum spin Hall insulator with a band gap of 0.18 eV, which offers a candidate for potential topological 2D IMCs. The $\ensuremath{\alpha}$- and $\ensuremath{\beta}$-I phases demonstrate trivial semiconductors with gaps of 2.30 and 1.94 eV. These findings broaden the scope of 2D IMCs stabilized by halogen bonding, with appealing application potentials in molecular physics and optoelectronics.
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