工作一：Appl. Phys. Lett. 124, 043101 (2024)

Doping induced multiferroicity and quantum anomalous Hall effect in α-In2Se3 thin films

α-In2Se3薄膜中，摻雜誘導的多鐵性和量子反常霍爾效應

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Abstract:?In flatband materials, the strong Coulomb interaction between electrons can lead to exotic physical phenomena. Recently, α-In₂Se₃?thin films were found to possess ferroelectricity and flat bands. In this work, using first-principles calculations, we find that for the monolayer, there is a Weyl point at Γ in the flatband, where the inclusion of the spin–orbit coupling opens a gap. Shifting the Fermi level into the spin–orbit gap gives rise to nontrivial band topology, which is preserved for the bilayer regardless of the interlayer polarization couplings. We further calculate the Chern number and edge states for both the monolayer and bilayer, for which the results suggest that they become quantum anomalous Hall insulators under appropriate dopings. Moreover, we find that the doping-induced magnetism for the In2Se3 bilayer is strongly dependent on the interlayer polarization coupling. Therefore, doping the flat bands in In2Se3 bilayer can also yield multiferroicity, where the magnetism is electrically tunable as the system transforms between different polarization states.?Our study, thus, reveals that multiferroicity and nontrivial band topology can be unified into one material for designing multifunctional electronic devices.

摘要：在平帶材料中，電子之間的強庫侖相互作用會導致奇異的物理現象。最近，發現α-In2Se3薄膜具有鐵電性和平帶。在這項工作中，使用第一原理計算，我們發現對于單層，在平帶中的Γ處存在一個Weyl點，考慮自旋軌道耦合后打開了一個能隙。將費米能級轉移到自旋軌道間隙中會產生非平凡的能帶拓撲，無論層間極化耦合如何，雙層都會保留這種拓撲。我們進一步計算了單層和雙層的陳數和邊緣態，結果表明它們在適當的摻雜下成為量子反常霍爾絕緣體。此外，我們發現In2Se3雙層中摻雜誘導的磁性強烈依賴于層間極化耦合。因此，在In2Se3雙層中對平帶進行摻雜也可以產生多鐵性，當系統在不同極化狀態之間轉換時，磁性是電可調的。因此，我們的研究表明，多鐵性和非平凡的能帶拓撲可以統一在一種材料，用于設計多功能電子器件。

圖1. 單層In2Se3的幾何結構和電子結構。(a, b)?單層In2Se3的兩個極化態，分別稱為FE1和FE2。P表示極化，箭頭表示其方向。(c, d)?分別為無自旋軌道耦合和有自旋軌道耦合的能帶結構。(e, f)?費米能級分別在EF1和EF2的單層In2Se3的WCC和邊緣態。

圖2. 摻雜對單層In2Se3的幾何結構和電子結構的影響。(a)摻雜誘導的磁化強度隨摻雜大小的變化。(b)?Se2原子的位移隨摻雜大小的變化。(c)和(d)分別為沒有SOC和有SOC時，單層In2Se3在0.5 h/f.u.時的能帶結構。(e)和(f)分別為計算出的WCC和邊緣態。

圖3. 無和有SOC的三種極化態的能帶結構。圖層中的極化值用箭頭表示。插圖描述了極化狀態，分別命名為C1、C2和C3。(a)和(b)、(c)和(d)，以及(e)和(f)分別是 C1、C2和C3。

圖4. 空穴摻雜的In2Se3雙層中的極化相關鐵磁性。(a)磁化強度隨空穴摻雜的變化。(b)C1、C2和C3極化構型中原子的磁化強度分布。箭頭表示各層中的極化。(c)摻雜0.3 h/f.u的In2Se3雙層極化態轉變的動力學途徑。(d) C1 WCC。

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工作二：Phys. Rev. B 109, 085432 (2024)

Ferroelectrically tunable topological phase transition in In2Se3 thin films

In2Se3薄膜中的鐵電可調拓撲相變

Abstract:?Materials with ferroelectrically switchable topological properties are of interest for both fundamental physics and practical applications. Using first-principles calculations, we find that stacking ferroelectric?α-In2Se3 monolayers into a bilayer leads to polarization-dependent band structures, which yields polarization-dependent topological properties. Specifically, we find that the states with interlayer ferroelectric couplings are quantum spin Hall insulators, while those with antiferroelectric polarizations are normal insulators. We further find that In2Se3 trilayer and quadlayer exhibit nontrivial band topology as long as in the structure the ferroelectric In2Se3 bilayer is antiferroelectrically coupled to In2Se3 monolayers or other ferroelectric In2Se3 bilayer. Otherwise the system is topologically trivial. The reason is that near the Fermi level the band structure of the ferroelectric In2Se3 bilayer has to be maintained for the nontrivial band topology. This feature can be used to design?nontrivial band topology for the thicker films by a proper combination of the interlayer polarization couplings. The topological properties can be ferroelectrically tunable using the dipole locking effect. Our study reveals switchable band topology in a family of natural ferroelectrics, which provide a platform for designing new?functional devices.

摘要：具有鐵電可切換拓撲特性的材料對于基礎物理和實際應用都很感興趣。使用第一性原理計算，我們發現將鐵電α-In2Se3單層堆疊成雙層會產生極化相關的能帶結構，從而產生極化相關的拓撲特性。具體來說，我們發現具有層間鐵電耦合的狀態是量子自旋霍爾絕緣體，而具有反鐵電極化的狀態是正常絕緣體。我們進一步發現，只要在結構中鐵電In2Se3雙層與In2Se3單層或其他In2Se3雙層具有反鐵電耦合，那么In2Se3三層和四層就表現出非平凡的帶拓撲。否則，系統在拓撲上是微不足道的。原因是在費米能級附近，必須保持鐵電 In2Se3 雙層的能帶結構才能實現非平凡的能帶拓撲。該功能可用于通過層間偏振耦合的適當組合來設計較厚薄膜的非平凡能帶拓撲。利用偶極鎖定效應可以對拓撲特性進行鐵電調節。我們的研究揭示了一系列天然鐵電體中的可切換能帶拓撲，這為設計新功能器件提供了平臺。

圖1.?In2Se3-1L的電子結構。(a)具有不同極化態的In2Se3-1L的幾何結構。極化現象用箭頭表示。具有向下極化的狀態表示為FE1，而具有向上極化的狀態則稱為FE2。(b) 具有自旋–軌道耦合的能帶結構。(c)在Γ處的價帶和導帶的電荷密度分布，即VBΓ和CBΓ. (d) VBΓ和CBΓ的波函數. (e) In2Se3-1L的WCC的演化。

圖2. In2Se3- 2L的能帶結構的極化依賴性。(a)In2Se3-2L的極化態。每個結構的總能量在結構下面給出。在(a).中所示的狀態的(b)能帶結構(c)價帶和導帶的波函數。

圖3. In2Se3-2L中FE的能帶拓撲結構，即構型C3。(a)帶有SOC的能帶結構。(b)WCC的演化。(c)鋸齒狀邊緣的邊緣態。

圖4. In2Se3-3L在四種狀態下具有SOC的能帶結構。插圖顯示了等效的極化構型。

圖5.?(a)-(d) In2Se3-3L在S1、S2、S3和S4極化態下WCC的演化。(e)-(h)它們各自對應的一個鋸齒形邊緣的邊界態。

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