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Robust large-gap topological insulator phase in transition-metal chalcogenide ZrTe4Se

拓扑绝缘体 半金属 物理 凝聚态物理 带隙 拓扑(电路) 拓扑序 表面状态 硫系化合物 拉伸应变 密度泛函理论 电子能带结构 绝缘体(电) 量子 极限抗拉强度 量子力学 材料科学 曲面(拓扑) 光电子学 组合数学 数学 冶金 几何学
作者
Xing Wang,Wenhui Wan,Yanfeng Ge,Yong Liu
出处
期刊:New Journal of Physics [IOP Publishing]
卷期号:23 (9): 093046-093046
标识
DOI:10.1088/1367-2630/ac2712
摘要

Based on density functional theory (DFT), we investigate the electronic properties of bulk and single-layer ZrTe$_4$Se. The band structure of bulk ZrTe$_4$Se can produce a semimetal-to-topological insulator (TI) phase transition under uniaxial strain. The maximum global band gap is 0.189 eV at the 7\% tensile strain. Meanwhile, the Z$_2$ invariants (0; 110) demonstrate conclusively it is a weak topological insulator (WTI). The two Dirac cones for the (001) surface further confirm the nontrivial topological nature. The single-layer ZrTe$_4$Se is a quantum spin Hall (QSH) insulator with a band gap 86.4 meV and Z$_2$=1, the nontrivial metallic edge states further confirm the nontrivial topological nature. The maximum global band gap is 0.211 eV at the tensile strain 8\%. When the compressive strain is more than 1\%, the band structure of single-layer ZrTe$_4$Se produces a TI-to-semimetal transition. These theoretical analysis may provide a method for searching large band gap TIs and platform for topological nanoelectronic device applications.
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