Pressure-induced topological and structural phase transitions in natural van der Waals heterostructures from the (SnTe)m(Bi2Te3)n

单斜晶系 范德瓦尔斯力 拓扑绝缘体 拉曼光谱 相变 物理 结晶学 凝聚态物理 材料科学 晶体结构 量子力学 化学 分子
作者
Sukanya Pal,Raagya Arora,Ananya Banik,Konstantin Glazyrin,D. V. S. Muthu,Kanishka Biswas,Umesh V. Waghmare,A. K. Sood
出处
期刊:Physical review 卷期号:106 (13)
标识
DOI:10.1103/physrevb.106.134104
摘要

A new class of van der Waals heterostructures of ${(\mathrm{SnTe})}_{\mathrm{m}}{({\mathrm{Bi}}_{2}{\mathrm{Te}}_{3})}_{\mathrm{n}}$ (with $m=1,2,.\phantom{\rule{0.16em}{0ex}}.$ and $n=1,2,.\phantom{\rule{0.16em}{0ex}}.$), consisting of a topological crystalline insulator SnTe and a topological insulator ${\mathrm{Bi}}_{2}{\mathrm{Te}}_{3}$ are emerging with exciting properties and applications, such as in thermoelectrics. Our study examines the stability of these heterostructures ($m$ = 1 and $n$ = 1,2) under pressure using Raman scattering, synchrotron x-ray diffraction, and density functional theory. Raman studies as a function of pressure carried out at room temperature reveal a phase transition in the pressure regime of 3--5 GPa for both the compounds, which is shown to be associated with an electronic topological transition involving change in the ${\mathrm{Z}}_{2}$ topological invariant. In addition to the electronic changes, our Raman experiments indicate that rhombohedral ($R\overline{3}m$) ${\mathrm{SnBi}}_{2}{\mathrm{Te}}_{4}$ undergoes structural transition at $\ensuremath{\sim}6.0$ to a possible monoclinic phase and another transition at $\ensuremath{\sim}12.0$ GPa. Raman and x-ray diffraction experiments on trigonal ($P\overline{3}m1$) ${\mathrm{SnBi}}_{4}{\mathrm{Te}}_{7}$ show two structural transitions at $\ensuremath{\sim}9.5$ GPa to a monoclinic phase followed by one to cubic phase at $\ensuremath{\sim}14.1$ GPa. Our analysis of electronic structure reveals that the phase transition at 9.5 GPa in ${\mathrm{SnBi}}_{4}{\mathrm{Te}}_{7}$ is accompanied by an insulator to semimetal transition.

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