[論文レビュー] Charge-polarized interfacial superlattices in marginally twisted hexagonal boron nitride

Colin R. Woods, Pablo Ares+8 more|arXiv (Cornell University)|Oct 14, 2020

Graphene research and applicationsMaterials Science参考文献 8被引用数 22

ひとこと要約

本研究では、わずかにねじれた六方窒化ホウ素（hBN）二層構造における界面に、電荷極性を持つ超格子構造が存在することを明らかにした。これは、界面に生じる弾性歪みが、界面をはさんでB-Nペアから垂直方向の電気双極子を誘発することによって駆動される。電界力顕微鏡（EFM）を用いて、サイズや方位に依存しない大きな表面電位を持つ三角形の超格子領域が観察された。モデル化により、交互に（BNおよびNB）配向する双極子極性を持つ二層厚さのフェロエレクトリックに類似した構造として確認された。

ABSTRACT

When two-dimensional crystals are brought into close proximity, their interaction results in strong reconstruction of electronic spectrum and local crystal structure. Such reconstruction strongly depends on the twist angle between the two crystals and has received growing attention due to new interesting electronic and optical properties that arise in graphene and transitional metal dichalcogenides. Similarly, novel and potentially useful properties are expected to appear in insulating crystals. Here we study two insulating crystals of hexagonal boron nitride (hBN) stacked at a small twist angle. Using electrostatic force microscopy, we observe ferroelectric-like domains arranged in triangular superlattices with a large surface potential that is independent on the size and orientation of the domains as well as the thickness of the twisted hBN crystals. The observation is attributed to interfacial elastic deformations that result in domains with a large density of out-of-plane polarized dipoles formed by pairs of boron and nitrogen atoms belonging to the opposite interfacial surfaces. This effectively creates a bilayer-thick ferroelectric with oppositely polarized (BN and NB) dipoles in neighbouring domains, in agreement with our modelling. The demonstrated electrostatic domains and their superlattices offer many new possibilities in designing novel van der Waals heterostructures.

研究の動機と目的

• ねじれhBN二層構造、すなわち絶縁性2次元ファンデルワールスヘテロ構造における電子的および構造的再配置を調査すること。
• hBN層間の小さなねじれ角が界面電子的性質および対称性の破れに与える影響を理解すること。
• 長距離秩序を持つ静電的領域の出現と、それらが新しい2次元ヘテロ構造に与える可能性を調査すること。
• わずかにねじれたhBNにおける安定した大きな表面電位の起源を、実験的および理論的分析を通じて特定すること。

提案手法

• わずかにねじれたhBN二層構造の表面電位の変動をマップするために、電界力顕微鏡（EFM）を用いた。
• ねじれ角および界面構造を特徴付けるために、原子間力顕微鏡（AFM）および透過電子顕微鏡（TEM）を用いた。
• 界面に生じる弾性歪みとその双極子形成への影響をモデル化するために、原子スケールのシミュレーションを実施した。
• 静電的領域の空間相関を分析し、三角形の超格子パターンを同定した。
• 界面で交互に（BNおよびNB）配向する双極子極性を持つ二層厚さのフェロエレクトリックに類似した系として、モデル化を行った。
• 実験的EFMデータと、極性および電位分布の理論的予測を照合した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 わずかにねじれたhBN二層構造に、大きな安定した表面電位が形成される原因は何か？
• RQ2 界面に生じる弾性歪みは、周期的な静電的領域の出現にどのように寄与するか？
• RQ3 hBN-hBN界面における極性の性質は何か？ また、バルクhBNとはどのように異なるか？
• RQ4 観察された超格子パターンは、絶縁性2次元系におけるフェロエレクトリックに類似したメカニズムで説明可能か？
• RQ5 hBN結晶のサイズ、方位、厚さは、観察された静電的領域にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 電界力顕微鏡により、サイズや方位、hBNの厚さに依存しない、約1.5 Vの大きな一様な表面電位を持つ三角形の超格子領域が観察された。
• 表面電位は、試料の異なる領域においても安定しており、長距離的かつ本質的な秩序化機構であることを示している。
• 界面に生じる弾性歪みが、電荷極性の主因であると特定された。これにより、界面に垂直方向の双極子が誘発された。
• 観察された極性パターンは、隣接する領域で交互に（BNおよびNB）配向する双極子極性に対応し、二層厚さのフェロエレクトリックに類似した構造を模倣している。
• モデリングにより、特徴的な超格子周期と一致する、安定した周期的極性を支持する系であることが確認された。
• この現象は、小角度ねじれに特有であり、層間の整列状態および格子不整合に強く依存していることが示された。