Two-Dimensionalπ-Conjugated Covalent-Organic Frameworks as Quantum Anomalous Hall Topological Insulators

原子轨道 物理 共价键 拓扑序 拓扑(电路) 莫特绝缘子 凝聚态物理 量子力学 量子 电子 数学 组合数学
作者
Liang Dong,Youngkuk Kim,Dequan Er,Andrew M. Rappe,Vivek B. Shenoy
出处
期刊:Physical Review Letters [American Physical Society]
卷期号:116 (9) 被引量:89
标识
DOI:10.1103/physrevlett.116.096601
摘要

The quantum anomalous Hall (QAH) insulator is a novel topological state of matter characterized by a nonzero quantized Hall conductivity without an external magnetic field. Using first-principles calculations, we predict the QAH state in monolayers of covalent-organic frameworks based on the newly synthesized ${X}_{3}{({\mathrm{C}}_{18}{\mathrm{H}}_{12}{\mathrm{N}}_{6})}_{2}$ structure where $X$ represents $5d$ transition metal elements Ta, Re, and Ir. The $\ensuremath{\pi}$ conjugation between $X$ ${d}_{xz}$ and ${d}_{yz}$ orbitals, mediated by N ${p}_{z}$ and C ${p}_{z}$ orbitals, gives rise to a massive Dirac spectrum in momentum space with a band gap of up to 24 meV due to strong spin-orbit coupling. We show that the QAH state can appear by chemically engineering the exchange field and the Fermi level in the monolayer structure, resulting in nonzero Chern numbers. Our results suggest a reliable pathway toward the realization of a QAH phase at temperatures between 100 K and room temperature in covalent-organic frameworks.

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