Monolayer and bilayer PtCl3 : Energetics, magnetism, and band topology

反铁磁性 凝聚态物理 磁性 物理 密度泛函理论 拓扑绝缘体 拓扑(电路) 量子力学 组合数学 数学
作者
Yalong Jiao,Xu-Tao Zeng,Cong Chen,Zhen Gao,Keyi Song,Xian‐Lei Sheng,Shengyuan A. Yang
出处
期刊:Physical review [American Physical Society]
卷期号:107 (7) 被引量:6
标识
DOI:10.1103/physrevb.107.075436
摘要

Two-dimensional (2D) magnetic materials hosting nontrivial topological states are interesting for fundamental research as well as practical applications. Recently, the topological state of 2D Weyl half-semimetal (WHS) was proposed, which hosts fully spin polarized Weyl points robust against spin-orbit coupling in a 2D ferromagnetic system, and single-layer PtCl$_3$ was predicted as a platform for realizing this state. Here, we perform an extensive search of 2D PtCl$_3$ structures, by using the particle swarm optimization technique and density functional theory calculation. We show that the desired PtCl$_3$ phase corresponds to the most stable one at its stoichiometry. The 2D structure also possesses good thermal stability up to 600 K. We suggest SnS$_2$ as a substrate for the growth of 2D PtCl$_3$, which has excellent lattice matching and preserves the WHS state in PtCl$_3$. We find that uniaxial strains along the zigzag direction maintain the WHS state, whereas small strains along the armchair direction drives a topological phase transition from the WHS to a quantum anomalous Hall (QAH) insulator phase. Furthermore, we study bilayer PtCl$_3$ and show that the stacking configuration has strong impact on the magnetism and the electronic band structure. Particularly, the $AA'$ stacked bilayer PtCl$_3$ realizes an interesting topological state -- the 2D antiferromagnetic mirror Chern insulator, which has a pair of topological gapless edge bands. Our work provides guidance for the experimental realization of 2D PtCl$_3$ and will facilitate the study of 2D magnetic topological states, including WHS, QAH insulator, and magnetic mirror Chern insulator states.
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