Robust topological properties in Zr-doped graphene under strain regulation

二维拓扑材料因其无耗散的边界态成为低功耗电子器件的理想候选材料.作为典型的二维体系，理论预言石墨烯在自旋-轨道耦合相互作用下存在量子自旋霍尔效应，但其能隙仅为微电子伏量级，这严重制约了其在实际器件中的应用.本文基于第一性原理计算，研究了ⅣB族4d过渡金属元素Zr晶格掺杂石墨烯形成的Zr2C12体系在应变调控下的电子结构和拓扑性质.声子谱计算表明，处于自由状态的Zr2C12具有良好的动力学稳定性.电子结构研究表明，在不考虑自旋-轨道耦合相互作用时，处于自由状态的Zr2C12呈现出狄拉克半金属相，其狄拉克点处的费米速度比石墨烯的略低.考虑自旋-轨道耦合相互作用后，狄拉克点打开了4.09 meV的能隙，该能隙比未掺杂的石墨烯大三个数量级.通过宇称计算确认Z2拓扑不变量为1，体系转变为二维拓扑绝缘体.在-5%至6%的大范围应变内，体系始终保持动力学稳定，且仍为Z2=1的拓扑绝缘体相，展现出鲁棒的拓扑性质.其能隙大小随拉伸应变的增加而增加，当施加6%拉伸应变时，能隙达到最大值8.41 meV.计算发现在6%拉伸应变下体系有非平庸的拓扑边界态，这进一步验证了应变调控下体系的非平庸拓扑性质.本研究拓展了过渡金属掺杂石墨烯体系的研究范畴，为低能耗电子器件以及量子计算和通信等领域的进一步研究提供了良好的材料平台.