Van der Waals Stacking-Induced Topological Phase Transition in Layered Ternary Transition Metal Chalcogenides

Nano Letters

Volumn 17, Issue 1, 2020, Pages 467-475

  Liu, Junwei ^a   Wang, Hua ^b   Fang, Chen ^c   Fu, Liang ^a   Qian, Xiaofeng ^b  

^a MASSACHUSETTS INSTITUTE OF TECHNOLOGY   (United States)

^b Department of Electrical and Computer Engineering   (United States)

^c INSTITUTE OF GEOLOGY AND GEOPHYSICS   (China)

Author keywords

2D materials; Quantum spin Hall insulators; ternary transition metal chalcogenides; topological phase transition; Weyl semimetals

Indexed keywords

CHALCOGENIDES; ELECTRONIC STRUCTURE; GREEN COMPUTING; MONOLAYERS; QUANTUM COMPUTERS; TOPOLOGY; TRANSITION METALS; VAN DER WAALS FORCES;

LOW-POWER CONSUMPTION; NON-CENTROSYMMETRIC CRYSTALS; QUANTUM SPIN HALLS; TOPOLOGICAL CHARACTERISTICS; TOPOLOGICAL MATERIALS; TOPOLOGICAL PHASE; TRANSITION METAL CHALCOGENIDES; TWO-DIMENSIONAL MATERIALS;

PHASE TRANSITIONS;

EID: 85017517839     PISSN: 15306984     EISSN: 15306992     Source Type: Journal    
DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b04487     Document Type: Article

References (64)

1. Kane, C. L.; Mele, E. J. Phys. Rev. Lett. 2005, 95, 226801 10.1103/PhysRevLett.95.226801
2. Kane, C. L.; Mele, E. J. Phys. Rev. Lett. 2005, 95, 146802 10.1103/PhysRevLett.95.146802
3. Bernevig, B. A.; Hughes, T. L.; Zhang, S.-C. Science 2006, 314, 1757-1761 10.1126/science.1133734
4. König, M.; Wiedmann, S.; Brüne, C.; Roth, A.; Buhmann, H.; Molenkamp, L. W.; Qi, X.-L.; Zhang, S.-C. Science 2007, 318, 766-770 10.1126/science.1148047
5. Liu, C.; Hughes, T. L.; Qi, X.-L.; Wang, K.; Zhang, S.-C. Phys. Rev. Lett. 2008, 100, 236601 10.1103/PhysRevLett.100.236601
6. Knez, I.; Du, R.-R.; Sullivan, G. Phys. Rev. Lett. 2011, 107, 136603 10.1103/PhysRevLett.107.136603
7. Hasan, M. Z.; Kane, C. L. Rev. Mod. Phys. 2010, 82, 3045-3067 10.1103/RevModPhys.82.3045
8. Qi, X.-L.; Zhang, S.-C. Rev. Mod. Phys. 2011, 83, 1057-1110 10.1103/RevModPhys.83.1057
9. Fu, L.; Kane, C. L.; Mele, E. J. Phys. Rev. Lett. 2007, 98, 106803 10.1103/PhysRevLett.98.106803
10. Hsieh, D.; Qian, D.; Wray, L.; Xia, Y.; Hor, Y. S.; Cava, R. J.; Hasan, M. Z. Nature 2008, 452, 970-974 10.1038/nature06843
11. Zhang, H.; Liu, C.-X.; Qi, X.-L.; Dai, X.; Fang, Z.; Zhang, S.-C. Nat. Phys. 2009, 5, 438-442 10.1038/nphys1270
12. Chen, Y. L.; Analytis, J. G.; Chu, J. H.; Liu, Z. K.; Mo, S. K.; Qi, X. L.; Zhang, H. J.; Lu, D. H.; Dai, X.; Fang, Z.; Zhang, S. C.; Fisher, I. R.; Hussain, Z.; Shen, Z. X. Science 2009, 325, 178-181 10.1126/science.1173034
13. Hsieh, D.; Xia, Y.; Qian, D.; Wray, L.; Dil, J. H.; Meier, F.; Osterwalder, J.; Patthey, L.; Checkelsky, J. G.; Ong, N. P.; Fedorov, A. V.; Lin, H.; Bansil, A.; Grauer, D.; Hor, Y. S.; Cava, R. J.; Hasan, M. Z. Nature 2009, 460, 1101-1105 10.1038/nature08234
14. Yu, R.; Zhang, W.; Zhang, H.-J.; Zhang, S.-C.; Dai, X.; Fang, Z. Science 2010, 329, 61-64 10.1126/science.1187485
15. Chang, C.-Z.; Zhang, J.; Feng, X.; Shen, J.; Zhang, Z.; Guo, M.; Li, K.; Ou, Y.; Wei, P.; Wang, L.-L.; Ji, Z.-Q.; Feng, Y.; Ji, S.; Chen, X.; Jia, J.; Dai, X.; Fang, Z.; Zhang, S.-C.; He, K.; Wang, Y.; Lu, L.; Ma, X.-C.; Xue, Q.-K. Science 2013, 340, 167-170 10.1126/science.1234414
16. Fu, L. Phys. Rev. Lett. 2011, 106, 106802 10.1103/PhysRevLett.106.106802
17. Hsieh, T. H.; Lin, H.; Liu, J.; Duan, W.; Bansil, A.; Fu, L. Nat. Commun. 2012, 3, 982 10.1038/ncomms1969
18. Dziawa, P.; Kowalski, B. J.; Dybko, K.; Buczko, R.; Szczerbakow, A.; Szot, M.; Łusakowska, E.; Balasubramanian, T.; Wojek, B. M.; Berntsen, M. H.; Tjernberg, O.; Story, T. Nat. Mater. 2012, 11, 1023-1027 10.1038/nmat3449
19. Tanaka, Y.; Ren, Z.; Sato, T.; Nakayama, K.; Souma, S.; Takahashi, T.; Segawa, K.; Ando, Y. Nat. Phys. 2012, 8, 800-803 10.1038/nphys2442
20. Xu, S.-Y.; Liu, C.; Alidoust, N.; Neupane, M.; Qian, D.; Belopolski, I.; Denlinger, J. D.; Wang, Y. J.; Lin, H.; Wray, L. A.; Landolt, G.; Slomski, B.; Dil, J. H.; Marcinkova, A.; Morosan, E.; Gibson, Q.; Sankar, R.; Chou, F. C.; Cava, R. J.; Bansil, A.; Hasan, M. Z. Nat. Commun. 2012, 3, 1192 10.1038/ncomms2191
21. Liu, J.; Qian, X.; Fu, L. Nano Lett. 2015, 15, 2657-2661 10.1021/acs.nanolett.5b00308
22. Murakami, S. New J. Phys. 2007, 9, 356 10.1088/1367-2630/9/9/356
23. Wan, X.; Turner, A. M.; Vishwanath, A.; Savrasov, S. Y. Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 2011, 83, 205101 10.1103/PhysRevB.83.205101
24. Weng, H.; Fang, C.; Fang, Z.; Bernevig, B. A.; Dai, X. Phys. Rev. X 2015, 5, 011029 10.1103/PhysRevX.5.011029
25. Huang, S.-M.; Xu, S.-Y.; Belopolski, I.; Lee, C.-C.; Chang, G.; Wang, B.; Alidoust, N.; Bian, G.; Neupane, M.; Zhang, C.; Jia, S.; Bansil, A.; Lin, H.; Hasan, M. Z. Nat. Commun. 2015, 6, 7373 10.1038/ncomms8373
26. Lu, L.; Wang, Z.; Ye, D.; Ran, L.; Fu, L.; Joannopoulos, J. D.; Soljacic, M. Science 2015, 349, 622-624 10.1126/science.aaa9273
27. Xu, S.-Y.; Belopolski, I.; Alidoust, N.; Neupane, M.; Bian, G.; Zhang, C.; Sankar, R.; Chang, G.; Yuan, Z.; Lee, C.-C.; Huang, S.-M.; Zheng, H.; Ma, J.; Sanchez, D. S.; Wang, B.; Bansil, A.; Chou, F.; Shibayev, P. P.; Lin, H.; Jia, S.; Hasan, M. Z. Science 2015, 349, 613-617 10.1126/science.aaa9297
28. Xu, S.-Y.; Alidoust, N.; Belopolski, I.; Yuan, Z.; Bian, G.; Chang, T.-R.; Zheng, H.; Strocov, V. N.; Sanchez, D. S.; Chang, G.; Zhang, C.; Mou, D.; Wu, Y.; Huang, L.; Lee, C.-C.; Huang, S.-M.; Wang, B.; Bansil, A.; Jeng, H.-T.; Neupert, T.; Kaminski, A.; Lin, H.; Jia, S.; Zahid Hasan, M. Nat. Phys. 2015, 11, 748-754 10.1038/nphys3437
29. Lv, B. Q.; Weng, H. M.; Fu, B. B.; Wang, X. P.; Miao, H.; Ma, J.; Richard, P.; Huang, X. C.; Zhao, L. X.; Chen, G. F.; Fang, Z.; Dai, X.; Qian, T.; Ding, H. Phys. Rev. X 2015, 5, 031013 10.1103/PhysRevX.5.031013
30. Lv, B. Q.; Xu, N.; Weng, H. M.; Ma, J. Z.; Richard, P.; Huang, X. C.; Zhao, L. X.; Chen, G. F.; Matt, C. E.; Bisti, F.; Strocov, V. N.; Mesot, J.; Fang, Z.; Dai, X.; Qian, T.; Shi, M.; Ding, H. Nat. Phys. 2015, 11, 724-727 10.1038/nphys3426
31. Yang, L. X.; Liu, Z. K.; Sun, Y.; Peng, H.; Yang, H. F.; Zhang, T.; Zhou, B.; Zhang, Y.; Guo, Y. F.; Rahn, M.; Prabhakaran, D.; Hussain, Z.; Mo, S. K.; Felser, C.; Yan, B.; Chen, Y. L. Nat. Phys. 2015, 11, 728-732 10.1038/nphys3425
32. Wang, Q. H.; Kalantar-Zadeh, K.; Kis, A.; Coleman, J. N.; Strano, M. S. Nat. Nanotechnol. 2012, 7, 699-712 10.1038/nnano.2012.193
33. Butler, S. Z.; Hollen, S. M.; Cao, L.; Cui, Y.; Gupta, J. A.; Gutiérrez, H. R.; Heinz, T. F.; Hong, S. S.; Huang, J.; Ismach, A. F.; Johnston-Halperin, E.; Kuno, M.; Plashnitsa, V. V.; Robinson, R. D.; Ruoff, R. S.; Salahuddin, S.; Shan, J.; Shi, L.; Spencer, M. G.; Terrones, M.; Windl, W.; Goldberger, J. E. ACS Nano 2013, 7, 2898-2926 10.1021/nn400280c
34. Qian, X.; Wang, Y.; Li, W.; Lu, J.; Li, J. 2D Mater. 2015, 2, 032003 10.1088/2053-1583/2/3/032003
35. Mak, K. F.; Lee, C.; Hone, J.; Shan, J.; Heinz, T. F. Phys. Rev. Lett. 2010, 105, 136805 10.1103/PhysRevLett.105.136805
36. Qian, X.; Liu, J. W.; Fu, L.; Li, J. Science 2014, 346, 1344-1347 10.1126/science.1256815
37. Soluyanov, A. A.; Gresch, D.; Wang, Z.; Wu, Q.; Troyer, M.; Dai, X.; Bernevig, B. A. Nature 2015, 527, 495-498 10.1038/nature15768
38. Ali, M. N.; Xiong, J.; Flynn, S.; Tao, J.; Gibson, Q. D.; Schoop, L. M.; Liang, T.; Haldolaarachchige, N.; Hirschberger, M.; Ong, N. Nature 2014, 514, 205-208 10.1038/nature13763
39. Geim, A. K.; Grigorieva, I. V. Nature 2013, 499, 419-425 10.1038/nature12385
40. Keum, D. H.; Cho, S.; Kim, J. H.; Choe, D.-H.; Sung, H.-J.; Kan, M.; Kang, H.; Hwang, J.-Y.; Kim, S. W.; Yang, H. Nat. Phys. 2015, 11, 482-486 10.1038/nphys3314
41. Cho, S.; Kim, S.; Kim, J. H.; Zhao, J.; Seok, J.; Keum, D. H.; Baik, J.; Choe, D.-H.; Chang, K.; Suenaga, K. Science 2015, 349, 625-628 10.1126/science.aab3175
42. Zhou, L.; Xu, K.; Zubair, A.; Liao, A. D.; Fang, W.; Ouyang, F.; Lee, Y.-H.; Ueno, K.; Saito, R.; Palacios, T. J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 11892-11895 10.1021/jacs.5b07452
43. Fei, Z.; Palomaki, T.; Wu, S.; Zhao, W.; Cai, X.; Sun, B.; Nguyen, P.; Finney, J.; Xu, X.; Cobden, D. H. arXiv preprint 2016, arXiv:1610.07924.
44. Mar, A.; Ibers, J. A. J. Solid State Chem. 1992, 97, 366-376 10.1016/0022-4596(92)90045-W
45. Mar, A.; Jobic, S.; Ibers, J. A. J. Am. Chem. Soc. 1992, 114, 8963-8971 10.1021/ja00049a029
46. Xu, Y.; Zhang, F.; Zhang, C. Phys. Rev. Lett. 2015, 115, 265304 10.1103/PhysRevLett.115.265304
47. Kohn, W.; Sham, L. J. Phys. Rev. 1965, 140, A1133-A1138 10.1103/PhysRev.140.A1133
48. Kresse, G.; Furthmüller, J. Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 1996, 54, 11169-11186 10.1103/PhysRevB.54.11169
49. Blöchl, P. E. Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 1994, 50, 17953-17979 10.1103/PhysRevB.50.17953
50. Perdew, J. P.; Burke, K.; Ernzerhof, M. Phys. Rev. Lett. 1996, 77, 3865-3868 10.1103/PhysRevLett.77.3865
51. Langreth, D. C.; Mehl, M. J. Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 1983, 28, 1809-1834 10.1103/PhysRevB.28.1809
52. Klimeš, J.; Bowler, D. R.; Michaelides, A. J. Phys.: Condens. Matter 2010, 22, 022201 10.1088/0953-8984/22/2/022201
53. Baroni, S.; de Gironcoli, S.; Dal Corso, A.; Giannozzi, P. Rev. Mod. Phys. 2001, 73, 515-562 10.1103/RevModPhys.73.515
54. Qian, X.; Li, J.; Qi, L.; Wang, C. Z.; Chan, T. L.; Yao, Y. X.; Ho, K. M.; Yip, S. Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 2008, 78, 245112 10.1103/PhysRevB.78.245112
55. Marzari, N.; Mostofi, A. A.; Yates, J. R.; Souza, I.; Vanderbilt, D. Rev. Mod. Phys. 2012, 84, 1419-1475 10.1103/RevModPhys.84.1419
56. Fu, L.; Kane, C. L. Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 2007, 76, 045302 10.1103/PhysRevB.76.045302
57. Fukui, T.; Hatsugai, Y. J. Phys. Soc. Jpn. 2007, 76, 053702 10.1143/JPSJ.76.053702
58. Lagarias, J. C.; Reeds, J. A.; Wright, M. H.; Wright, P. E. SIAM Journal on optimization 1998, 9, 112-147 10.1137/S1052623496303470
59. Sancho, M. L.; Sancho, J. L.; Sancho, J. L.; Rubio, J. J. Phys. F: Met. Phys. 1985, 15, 851 10.1088/0305-4608/15/4/009
60. Heyd, J.; Scuseria, G. E.; Ernzerhof, M. J. Chem. Phys. 2003, 118, 8207-8215 10.1063/1.1564060
61. Novoselov, K. S.; Jiang, D.; Schedin, F.; Booth, T. J.; Khotkevich, V. V.; Morozov, S. V.; Geim, A. K. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2005, 102, 10451-10453 10.1073/pnas.0502848102
62. Burkov, A. A.; Balents, L. Phys. Rev. Lett. 2011, 107, 127205 10.1103/PhysRevLett.107.127205
63. Koepernik, K.; Kasinathan, D.; Efremov, D. V.; Khim, S.; Borisenko, S.; Büchner, B.; van den Brink, J. Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 2016, 93, 201101 10.1103/PhysRevB.93.201101
64. Khim, S.; Koepernik, K.; Efremov, D. V.; Klotz, J.; Förster, T.; Wosnitza, J.; Sturza, M. I.; Wurmehl, S.; Hess, C.; van den Brink, J.; Büchner, B. Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 2016, 94, 165145 10.1103/PhysRevB.94.165145