First-principles feasibility assessment of a topological insulator at the InAs/GaSb interface

材料科学 拓扑绝缘体 凝聚态物理 带隙 绝缘体(电) 碲化镉光电 导带 接口(物质) 光电子学 电子 拓扑(电路) 物理 量子力学 电气工程 工程类 毛细管作用 复合材料 毛细管数
作者
Shuyang Yang,Derek Dardzinski,Andrea Hwang,Dmitry I. Pikulin,Georg Winkler,Noa Marom
出处
期刊:Physical Review Materials [American Physical Society]
卷期号:5 (8) 被引量:25
标识
DOI:10.1103/physrevmaterials.5.084204
摘要

First-principles simulations are conducted to shed light on the question of whether a two-dimensional topological insulator (2DTI) phase may be obtained at the interface between InAs and GaSb. To this end, the InAs/GaSb interface is compared and contrasted with the HgTe/CdTe interface. Density functional theory (DFT) simulations of these interfaces are performed using a machine-learned Hubbard U correction [npj Comput. Mater. 6, 180 (2020)]. For the HgTe/CdTe interface, our simulations show that band crossing is achieved and an inverted gap is obtained at a critical thickness of 5.1 nm of HgTe, in agreement with experiment and previous DFT calculations. In contrast, for InAs/GaSb, the gap narrows with increasing thickness of InAs; however, the gap does not close for interfaces with up to 50 layers (about 15 nm) of each material. When an external electric field is applied across the InAs/GaSb interface, the GaSb-derived valence band maximum is shifted up in energy with respect to the InAs-derived conduction band minimum until eventually the bands cross and an inverted gap opens. Our results show that it may be possible to reach the topological regime at the InAs/GaSb interface under the right conditions. However, it may be challenging to realize these conditions experimentally, which explains the difficulty of experimentally demonstrating an inverted gap in InAs/GaSb.
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