The exotic physical phenomena in quantum matters, such as topological properties, superconductivity, and quantum spin Hall (QSH) effect, have attracted much attention in the academic community due to their interesting basic principles and potential novel applications. Moreover, researchers are searching for quantum materials that can exhibit these interesting physical phenomena. In this thesis, we study structural and electronic properties of polymorphic structures in two-dimensional transition metal dichalcogenides, which exhibit valley polarization and QSH effect. We also predict novel phase of carbon and silicon using the evolutionary genetic algorithm and analyze their exotic electronic properties.
First, through first-principles calculations, we study the electronic properties of monolayer and bilayer $MoS_2$ on $SiO_2$ substrate. We find that the interface interaction between $MoS_2$ and $SiO_2$ strongly depends on the surface polarity and thus significantly affects the electronic structure of MoS2. Especially, when dangling bonds exist at the interface, bilayer $MoS_2$ exhibits the strong spin-valley coupling at the valence band edge, similar to that found in monolayer $MoS_2$. Then, we systematically investigate the strain-induced modification of both the bulk band and topological edge states in QSH insulators based on 1T’-$MoX_2$ nanoribbons with X = (S, Se, Te). Although the location of the Dirac point depends on the chalcogen species, we show the possibility of tuning the Dirac point in the band gap by applying compressive or tensile strain. Considering the size of band gap and the amount of strain, we suggest that $MoSe_2$ nanoribbons would be the best candidates for QSH devices. Our results will represent a viable strategy for engineering TMDCs-based devices.
Next, we report a novel semimetallic carbon allotrope in monoclinic C2/m space group, discovered using first-principles evolutionary structure search. The new carbon phase, termed $m-C_8$, consists of five-membered rings with $sp^3$ bonding interconnected by $sp^2$-bonded carbon networks. Enthalpy calculations reveal that $m-C_8$ is more favorable over recently reported topological semimetallic carbon allotropes, and the dynamical stability of $m-C_8$ is verified by phonon spectra and molecular dynamics simulations. Simulated x-ray diffraction spectra propose that $m-C_8$ would be one of the unidentified carbon phases observed in detonation shoot. The analysis of electronic properties indicates that $m-C_8$ belongs to a class of topological nodal line semimetals, exhibiting the nodal line protected by both inversion and time-reversal symmetries in the absence of spin-orbit coupling and the surface band connecting the projected nodal points.
Finally, we report the prediction of pure metallic Si allotropes with open channels at ambient pressure, unlike a cubic diamond structure in covalent bonding networks. The metallic phase termed $P6/m-Si_6$ can be obtained by removing Na after pressure release from a novel Na-Si clathrate called $P6/m-NaSi_6$, which is discovered through first-principles study at high pressure. We confirm that both $P6/m-NaSi_6$ and $P6/m-Si_6$ are stable and superconducting with the critical temperatures of about 13 and 12 K at ambient pressure, respectively. The discovery of new Na-Si and Si clathrate structures presents an opportunity to explore new Si allotropes useful for Si-based devices.
위상 특성, 밸리편극 현상, 초전도 현상 및 양자스핀 홀 효과와 같은 특이한 물리적 현상들은 기본적인 물리이론 발전 및 잠재적인 응용 가능성으로 인해 학계에서 많은 주목을 받아왔다. 또한 연구자들은 위와 같은 흥미로운 물리적 현상이 나타나는 물질을 찾는 연구를 진행해오고 있다. 본 학위논문에서는 밸리편극 현상 및 양자스핀 홀 효과가 나타나는 이차원 전이금속 칼코겐화합물 다형성 구조들의 원자구조 및 전자구조 특성을 연구한다. 또한 진화 유전자 알고리즘을 이용하여 탄소와 실리콘의 새로운 동소체를 예측하고 전자구조 특성에 대해 고찰하였다.
먼저 밀도범함수 계산법을 이용하여 실리콘산화물 기판 위에 위치하는 단층 및 겹층 2H구조 이황화몰리브덴의 전자구조 특성을 연구했다. 이황화몰리브덴과 실리콘산화물 기판 사이에 계면 상호 작용이 기판표면 극성에 강하게 의존하며, 이황화몰리브덴의 전자구조에 큰 영향을 준다는 것을 발견했다. 특히 계면에서 매달린 결합이 존재할 때, 겹층 이황화몰리브덴은 원자가 띠끝머리에서 단층 이황화몰리브덴과 유사한 강한 스핀-밸리 결합이 나타난다. 다음으로, 양자스핀 홀 절연체로 알려진 1T’구조의 전이금속 칼코겐화합물($MoS_2, MoSe_2, MoTe_2$) 나노리본에서 구조변형에 의한 띠 간격과 위상 끝머리 상태의 변화을 체계적으로 조사했다. 나노리본에서 디랙 점의 위치는 칼코겐 종류에 따라 달라지지만, 압축 또는 인장 변형을 이용하여 띠 간격 안으로 디랙 점이 위치하도록 조정 할 수 있다. 밴드 갭의 크기와 변형량을 고려할 때, $MoSe_2$ 나노리본이 양자스핀 홀 장치를 위한 후보가 될 것이라고 기대할 수 있다.
다음으로, 밀도범함수 계산법과 진화 구조탐색 방법을 결합하여 단사 결정을 가지는 새로운 준금속 탄소 동소체를 발견하였다. $m-C_8$이라고 불리는 새로운 탄소상은 $sp^3$ 결합의 오각형 고리가 $sp^2$ 결합의 탄소 네트워크에 의해 연결된 구조이다. 엔탈피 계산에 따르면 $m-C_8$은 최근 보고된 다른 위상학적 준금속 탄소 동소체보다 안정하며, $m-C_8$의 역학적 및 열적 안정성은 포논스펙트럼 및 분자 동역학 시뮬레이션으로 각각 확인하였다. 또한 계산된 엑스선 회절 스펙트럼은 $m-C_8$이 실험적으로 관찰된 미확인 탄소 동소체 중 하나가 될 수 있다는 것을 보여준다. 전자구조 특성 분석을 통하여 $m-C_8$이 위상학적 준금속 종에 속하며, 스핀-궤도 결합이 없는 경우 반전 및 시간 역전 대칭에 의해 보호되는 마디 선과 투영된 마디 선을 연결하는 위상 표면 띠를 가지는 것을 확인하였다.
마지막으로 입방체 실리콘 구조와는 달리 열린 채널을 갖는 대기압에서 안정한 금속성의 실리콘 동소체 예측을 보고한다. P6/m-Si6이라 불리는 금속상의 실리콘 동소체는 $P6/m-NaSi_6$이라 불리는 새로운 Na-Si포접 화합물로부터 Na를 제거함으로써 얻을 수 있다. $P6/m-NaSi_6$는 고압상태에서 진화 구조탐색 연구를 통해 발견되었으며, 12.4GPa 이상에서 기존에 합성된 Na-Si포접 화합물보다 에너지적으로 안정해지는 것을 형성에너지 계산을 통하여 확인했다. 또한 $P6/m-NaSi_6$와 $P6/m-Si_6$가 대기압에서 역학적으로 안정하며, 각각 약 13 K와 12 K의 임계 온도를 갖는 초전도체임을 확인했다. 새로운 Na-Si 및 실리콘 포접 구조의 이론적 예측은 실리콘 기반 장치에 유용한 금속성의 실리콘 동소체를 탐색하는 기회를 제시한다.
