[論文レビュー] Atypical sliding and Moire ferroelectricity in pure multilayer graphene

Liu Yang, Shi-Ping Ding+2 more|PubMed|May 12, 2023

Graphene research and applications被引用数 8

ひとこと要約

この論文は、三層を超える多層グラフェンが層間スライドを介して自家生成的に強誘電性を示す第一原理の証拠を提示する。極性状態は層間のスタッキング対称性の破れと独自のモアレ強誘電パターンに由来する。

ABSTRACT

Most nonferroelectric two-dimensional materials can be endowed with so-called sliding ferroelectricity via nonequivalent homobilayer stacking, which is not applicable to monoelement systems like pure graphene bilayer with inversion symmetry at any sliding vector. Herein, we show first-principles evidence that multilayer graphene with N>3 can all be ferroelectric, where the polarizations of polar states stem from the symmetry breaking in stacking configurations of across layer instead of adjacent layer, which are electrically switchable via interlayer sliding. The nonpolar states can also be electrically driven to polar states via sliding, and more diverse states with distinct polarizations will emerge in more layers. In contrast to the ferroelectric moiré domains with opposite polarization directions in twisted bilayers reported previously, the moiré pattern in some multilayer graphene systems (e.g., twisted monolayer-trilayer graphene) possess nonzero net polarizations with domains of the same direction separated by nonpolar regions, which can be electrically reversed upon interlayer sliding. The distinct moiré bands of two polar states should facilitate electrical detection of such sliding moiré ferroelectricity during switching.

研究の動機と目的

• 純粋な多層グラフェンのビラ層を超える強誘電性を探索する動機づけ。
• 極性状態は隣接層対称性ではなく、層間スタッキング対称性の破れから生じることを示す。
• 層間スライドを介して極性状態の電気的スイッチ可能性を実証。
• 非極性状態がスライドによって極性状態へ駆動され得ること、エネルギー的にほぼ縮退していることを強調。
• 層数 N>3 の増加が可能な極性配置の多様性を拡張することを検討。

提案手法

• 多層グラフェンのスタッキング配置と極性を第一原理計算で研究。
• 層間スタッキング対称性の破れから生じる極性状態を同定。
• 層間スライドを、極性状態と非極性状態の間の電気的スイッチの機構として評価。
• ねじれた多層グラフェン系におけるモアレパターンと総極性を比較。
• 極性状態のスイッチングと電気検出性に対応する異なるモアレバンドを特徴づける。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 N>3 の純粋な多層グラフェンは、ある構成では反転対称性を有していても強誘電性を示すことがあるか。
• RQ2 層間スタッキング対称性の破れによって極性状態が安定化し、層間スライディングでスイッチ可能か。
• RQ3 ねじれた多層グラフェンのモアレパターンは、電気的に制御可能な総極性を生み出すか。
• RQ4 層数の増加が極性配置の多様性とそのエネルギーにどう影響するか。

主な発見

• 第一原理の証拠により、N>3 の多層グラフェンは強誘電性になり得る。
• 極性状態は層間の対称性破れに起因し、隣接層間だけでなく層間全体の対称性に由来する。
• 非極性状態は層間スライドで極性状態へ駆動でき、エネルギー的にはほぼ縮退している。
• 一部のモアレパターン（例：ねじれたモノレイヤー-トライレイヤーグラフェン）は、非極性領域で区切られた同方向のドメインを持つ非ゼロの総極性を示す。
• 極性状態に対応する異なるモアレバンドは、スイッチング中の電気検出を可能にする。