مقالۀ پژوهشی: گذار فاز توپولوژیکی InSb و InBi تحت کشش غیرهیدرواستاتیک شبکه

احمدوند, صبا; نامجو, شیرین

doi:10.22051/ijap.2024.46666.1397

مقالۀ پژوهشی: گذار فاز توپولوژیکی InSb و InBi تحت کشش غیرهیدرواستاتیک شبکه

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

¹ دانش‌آموختۀ کارشناسی ارشد، گروه آموزشی فیزیک، دانشکده علوم پایه، دانشگاه لرستان، خرم‌آباد، لرستان، ایران

² استادیار، گروه آموزشی فیزیک، دانشکده علوم پایه، دانشگاه لرستان، خرم‌آباد، لرستان، ایران

10.22051/ijap.2024.46666.1397

چکیده

در این مطالعه گذار فاز توپولوژیکی InSb، InBi تحت کشش غیرهیدرواستاتیک با استفاده از نظریه تابعی چگالی و بسته محاسباتی WIEN2K مورد بررسی قرار گرفته است. نتیجههای بدست‌آمده از بررسی ساختار نواری InSb و InBi با به‌کارگیری پتانسیل تبادلی - همبستگی mBJGGA نشان میدهد که InSb نیمه‌رسانایی با پهنای شکاف کوچک و نظم عادی نواری در نقطهΓ است. در حالیکه InBi یک فلز است که در مرکز ناحیه نخست بریلوئن دارای وارونگی نواری است. به‌منظور تبدیل‌کردن این ترکیب‌ها به نیمه‌رساناهای توپولوژی، شبکه این ترکیب‌ها به دو صورت تحت کشش غیرهیدرواستاتیک شبکه قرار می‌گیرند. نخست ثابت شبکه در صفحه ab بسط داده می‌شود و ثابت شبکه در امتداد محور c ثابت باقی‌ می‌ماند و سپس ثابت شبکه در راستای محور c بسط داده می‌شود؛ اما در صفحه ab ثابت باقی می‌ماند. نتایج بدست آمده از محاسبات نشان می‌دهد که تحت‌تأثیر هر دو نوع بسط غیرهیدرواستاتیک شبکه با شکسته‌شدن تقارن مکعبی، در ترکیب‌های InSb و InBi گذار به سمت نیم‌رسانای توپولوژی رخ میدهد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

نظریه تابعی چگالی

عنوان مقاله [English]

Research Paper: Topological Phase Transition of InSb and InBi Under Nonhydrostatic Lattice Expansion

نویسندگان [English]

Saba Ahmadvand ¹
Shirin Namjoo ²

¹ M. Sc. Graduated, Department of Physics, Faculty of Basic Sciences, Lorestan University, Khorramabad, Lorestan, Iran

² Assistant Professor, Department of Physics, Faculty of Basic Sciences, Lorestan University, Khorramabad, Lorestan, Iran

چکیده [English]

This study investigated the topological phase transition of InSb and InBi under a non-hydrostatic lattice using density functional theory and the WIEN2K code. The results of examining the band structure of InSb and InBi employing the mBJGGA exchange-correlation potential indicate that InSb is a semiconductor with a small band gap and normal band order at the Γ point. At the same time, InBi is a metal with band inversion at the Brillouin zone center. To transform these compounds into topological semiconductors, the lattice of these compounds is subjected to non-hydrostatic lattice expansion. Non-hydrostatic lattice expansion is applied in two ways. Firstly, the lattice constants are expanded in the ab plane while keeping the lattice constant along the c-axis constant. Then, the lattice constant is expanded along the c-axis while keeping the lattice constant in the ab plane constant. The calculations indicate that under the influence of both types of non-hydrostatic lattice expansion, with the breaking of cubic symmetry, a transition towards topological semiconductors occurs.

کلیدواژه‌ها [English]

Density Functional Theory
Topological Semiconductors
Band Inversion
III-V Compounds
Non-hydrostatic Lattice Expansion

مراجع

[1] Bradlyn, B., Cano, J., Wang, Z., Vergniory, M.G., Felser, C., Cava, R.J. and Bernevig, B.A., "Beyond Dirac and Weyl fermions: Unconventional quasiparticles in conventional crystals", Science 353(6299), aaf5037, 2016. https://doi.org/10.1126/science.aaf5037

[2] Hasan, M.Z. and Kane, C.L., "Colloquium: topological insulators", Reviews of modern physics 82, 4 (3045), 2010. https://doi.org/10.1103/RevModPhys.82.3045

[3] Namjoo, S., Rozatian, A.S., Jabbari, I. and Puschnig, P., "Optical study of narrow band gap InAs x Sb 1− x (x= 0, 0.25, 0.5, 0.75, 1) alloys", Physical Review B 91, 20 (205205), 2015. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.91.205205

[4] Ahmadvand, S., Namjoo, S., Ganji, M. and Dadsetani, M., "Structural and electronic properties of InSb1-xBix (x= 0, 0.25, 0.5, 0.75, 1)", Journal of Research on Many-body Systems 13(4), 69-81, 2024. (in Persian) https://doi.org/10.22055/JRMBS.2024.18899

[5] Namjoo, S., Rozatian, A.S. and Jabbari, I., "Influence of lattice expansion on the topological band order of InAsxSb1− x (x= 0, 0.25, 0.5, 0.75, 1) alloys", Journal of Alloys and Compounds 628, 458-463, 2015. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2014.12.131

[6] Singh, D.J. and Nordstrom, L., "Planewaves, Pseudopotentials, and the LAPW method", Springer Science & Business Media, 2006.

[7] Blügel, S. and Bihlmayer, G., "Full-potential linearized augmented planewave method", Computational nanoscience: do it yourself 31, 85-129, 2006.

[8] Blaha, P., Schwarz, K., Madsen, G.K., Kvasnicka, D. and Luitz, J., "wien2k", An augmented plane wave+ local orbitals program for calculating crystal properties 60, 1, 2001.

[9] Tran, F. and Blaha, P., "Accurate band gaps of semiconductors and insulators with a semilocal exchange-correlation potential", Physical review letters 102(22), 226401, 2009. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.102.226401

[10] Wu, Zhigang, and Ronald E. Cohen. "More accurate generalized gradient approximation for solids", Physical Review B 73(23), 235116, 2006. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.73.235116

[11] Madelung, O., "Semiconductors: data handbook", Springer Science & Business Media, 2004.

[12] Rajpalke, M.K., Linhart, W.M., Yu, K.M., Birkett, M., Alaria, J., Bomphrey, J.J., Sallis, S., Piper, L.F.J., Jones, T.S., Ashwin, M.J. and Veal, T.D., "Bi-induced band gap reduction in epitaxial InSbBi alloys", Applied Physics Letters 105(21), 2014. https://doi.org/10.1063/1.4902442

[13] Peyghambarian, N., Koch, S.W. and Mysyrowicz, A., "Introduction to semiconductor optics", Prentice-Hall, Inc., Upper Saddle River, NJ, USA, 1993.

[14] Slater, J.C. and Koster, G.F., "Simplified LCAO method for the periodic potential problem", Physical review 94(6), 1498, 1954. https://doi.org/10.1103/PhysRev.94.1498

[15] Chadi, D.J., "Spin-orbit splitting in crystalline and compositionally disordered semiconductors." Physical Review B 16(2), 790, 1977. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.16.790