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Projekt
Topologische Isolatoren in Bismuth-Halogen und verwandten Systemen: Design, Synthese, Optimierung und Eigenschaften
Antragstellerinnen / Antragsteller
Professor Dr. Thomas Doert; Professorin Dr. Anna Isaeva
Fachliche Zuordnung
Experimentelle Physik der kondensierten Materie
Förderung
Förderung von 2013 bis 2021
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 237598131
Unter Anwendung des Konzepts der "begrenzten Metalle" konnten wir eine zielgerichtete Suche nach neuen topologischen Isolatoren (TI) auf Basis von Kristallstrukturmerkmalen etablieren. Ein 2D-TI-Fragment als niedrigdimensionales Strukturfragment in einer Bismut-reichen Metallsalz-Hybridstruktur verleiht der gesamten Verbindung schwache 3D topologische Eigenschaften. Der salzartige Teil kann aus hochpolaren Iodidanion aufgebaut sein, welche fehlordnungsfreie und stöchiometrische Verbindungen begünstigen. Die Gültigkeit unseres Ansatzes konnten wir an zwei schwachen 3D-topologischen Isolatoren (Bi14Rh3I9, Bi2TeI) und einem starken 3D-topologischen Isolator, beta-Bi4I4, dessen elektronische Struktur sowohl in der Nähe der schwache 3D-TI-Phase als auch der trivialen Isolatorphase ist, zeigen. Die genannten Materialien werden von zwei verschiedenen 2D-TI-Fragmenten aufgebaut: Einer graphenähnlichen, intermetallischen Wabenschicht und einer Bismut-Doppelschicht mit Baueinheiten aus der Struktur des elementarem Bismuts. Bi14Rh3I9 ist der bislang einzig bekannte schwache 3D topologische Isolator, für den das Auftreten von topologischen Kantenzuständen experimentell bestätigt wurde. beta-Bi4I4 ist der einzige Vertreter der starken topologische Klasse Z2 = 1;(1,1,0) und zeichnet sich durch einen stark anisotropen Dirac-Kegel aus. Unsere theoretische Betrachtung der elektronischen Struktur von Bi2TeI prognostiziert für diese Verbindung exotische topologische Oberflächenzustände jenseits des Z2-Formalismus. Unser Ziel in der zweiten Förderperiode des Schwerpunktprogramms ist es, ausgehend von den genannten Verbindungen, neue Familien von TIs zu synthetisieren, zu charakterisieren und zu funktionalisieren. Die Verfügbarkeit von tatsächlichen Materialien wird theoretische und experimentelle Fortschritte bei der Beschreibung schwacher 3D TI fördern. Das Forschungsprogramm umfasst folgende wesentliche Schritte zur Realisierung dieser Ziele: 1) Vorbereitung der verfügbaren Bi14Rh3I9-Einkristalle für elektronischen und magneto-elektronischen Transport mittels Iod-Dotierung. Experimentelle und theoretische Arbeiten zu Exfolierung, Gating und Kontaktierung von dünnen Bi14Rh3I9 Schichten, um Zugang zu ersten einfache Bauteilen auf der Basis eines 3D schwachen TI zu erhalten. 2) Exploration einer nächsten Generation von beta-Bi4I4 abgeleiteter starker TI durch Synthese sowie DFT-basierte Berechnungen der elektronischen Struktur und der topologische Invarianten. 3) Verstärkte Bemühungen zur Einkristallzüchtung von Bi2TeI um die mögliche Koexistenz der schwachen 3D TI Phase und der durch die kristallographische Spiegelsymmetrie geschützte, topologisch-kristallinen-Isolatorphase zu untersuchen. 4) Identifizierung neuer TI-Kandidaten mit unterschiedlichen Strukturtypen durch Anwendung des o. g. Konzepts; von Synthese und Kristallstruktur über DFT-Berechnungen der elektronischen Struktur zu direkten Berechnung der topologische Invarianten.
DFG-Verfahren
Schwerpunktprogramme
