PAI-graphene: A new topological semimetallic two-dimensional carbon allotrope with highly tunable anisotropic Dirac cones

石墨烯 各向异性 Dirac(视频压缩格式) 拓扑(电路) 凝聚态物理 碳纤维 物理 材料科学 纳米技术 量子力学 工程类 复合材料 电气工程 复合数 中微子
作者
Xin Chen,Adrien Bouhon,Linyang Li,F. M. Peeters,Biplab Sanyal
出处
期刊:Carbon [Elsevier BV]
卷期号:170: 477-486 被引量:60
标识
DOI:10.1016/j.carbon.2020.08.012
摘要

Using evolutionary algorithm for crystal structure prediction, we present a new stable two-dimensional (2D) carbon allotrope composed of polymerized as-indacenes (PAI) in a zigzag pattern, namely PAI-graphene whose energy is lower than most of the reported 2D allotropes of graphene. Crucially, the crystal structure realizes a nonsymmorphic layer group that enforces a nontrivial global topology of the band structure with two Dirac cones lying perfectly at the Fermi level. The absence of electron/hole pockets makes PAI-graphene a pristine crystalline topological semimetal having anisotropic Fermi velocities with a high value of 7.0×105" role="presentation"> m/s. We show that while the semimetallic property of the allotrope is robust against the application of strain, the positions of the Dirac cone and the Fermi velocities can be modified significantly with strain. Moreover, by combining strain along both the x- and y-directions, two band inversions take place at Γ" role="presentation"> leading to the annihilation of the Dirac nodes demonstrating the possibility of strain-controlled conversion of a topological semimetal into a semiconductor. Finally we formulate the bulk-boundary correspondence of the topological nodal phase in the form of a generalized Zak-phase argument finding a perfect agreement with the topological edge states computed for different edge-terminations.
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