[論文レビュー] Electrically tunable stacking domains and ferroelectricity in moir\'e superlattices

Daniel Bennett, Benjamin Remez|arXiv (Cornell University)|Aug 24, 2021

Ferroelectric and Piezoelectric Materials参考文献 55被引用数 51

ひとこと要約

本論文は、モアレ超格子のスタッキングドメインに外部電場を印加することで非対称な緩和が誘発され、結果として網状極性およびフェロエレクトリック的応答が生じることを示す理論的モデルを提案している。電場はドメイン壁を緩め、誘電スクリーニングによってその幅を調整可能となり、MoS2では約2.47 V/Åの臨界電場でドメインの崩壊が予測される。これは2次元ヘテロ構造における電場で調整可能なフェロエレクトリック性を実現するメカニズムを提供する。

ABSTRACT

It is well known that stacking domains form in moir\'e superlattices due to the competition between the interlayer van der Waals forces and intralayer elastic forces, which can be recognized as polar domains due to the local spontaneous polarization in bilayers without centrosymmetry. We propose a theoretical model which captures the effect of an applied electric field on the domain structure. The coupling between the spontaneous polarization and field leads to uneven relaxation of the domains, and a net polarization in the superlattice at nonzero fields, which is sensitive to the moir\'e period. We show that the dielectric response to the field reduces the stacking energy and leads to softer domains in all bilayers. We then discuss the recent observations of ferroelectricity in the context of our model.

研究の動機と目的

• 二層グラフェンおよびhBNのような非極性材料で観測された非従来的フェロエレクトリック性の起源を理解すること。
• 外部電場が自発的分極と結合することで、モアレ超格子におけるスタッキングドメイン構造がどのように変化するかを調査すること。
• 電場に対する二層系の誘電応答をモデル化し、ドメイン壁の柔らかさと安定性に与える影響を評価すること。
• ねじれ2次元材料における場依存性ヒステリシスおよびフェロエレクトリック的挙動の最近の実験的観察を説明すること。

提案手法

• 外部電場下での弾性エネルギー、スタッキングエネルギー、電気的エネルギーを含む、モアレ超格子の連続場理論モデルを構築する。
• 正確な場誘起破壊記述を可能にするために、スタッキングエネルギーに完全な非調和的ファンデルワールスポテンシャルを組み込む。
• 電場が垂直方向の双極子モーメントに直接作用するのと、極化率展開による誘電応答を両方とも含む。
• 1次元フレンケル＝コントリーオワ（FK）モデルを用いて、電場およびねじれ角の関数としてのドメイン壁プロファイルと幅を解析的・数値的に解く。
• ドメイン壁幅が電場およびねじれ角の関数として導出され、MoS2では臨界電場 E_crit ≈ 2.47 V/Å で発散することが示された。
• 第一原理計算と比較し、異なるねじれ角および格子不整合に対して妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 外部電場がモアレ超格子における平衡スタッキングドメイン構造にどのように影響を与えるか？
• RQ2 誘電スクリーニングが有効スタッキングエネルギーおよびドメイン壁の柔らかさをどのように変化させるか？
• RQ3 二層グラフェンおよびhBNで観測されたフェロエレクトリックヒステリシスは、電場依存ドメイン緩和によって説明可能か？
• RQ4 スタッキングドメインが不安定化または崩壊する臨界電場は何か？
• RQ5 2次元ヘテロ構造において、ドメイン壁幅はねじれ角および印加電場にどのように依存するか？

主な発見

• 外部電場が自発的分極と結合することで、スタッキングドメインの非対称な緩和が誘発され、結果としてマクロな網状極性が生じる。
• 誘電応答は有効スタッキングエネルギーを低減させ、ドメイン壁を緩め、電場誘起再配置に対して感受性を高める。
• ドメイン壁幅は電場が小さくなるに従い増加し、MoS2では臨界電場 E_w^crit ≈ 2.47 V/Å で発散する。これは格子不整合に依存しない。
• モデルは二層の崩壊に相当する臨界電場 E_AB^crit ≈ 2.37 V/Å を予測し、ドメイン構造が不安定化する領域を示している。
• 1次元FKモデルの数値的および解析的解法により、臨界電場付近でドメイン壁幅が w ∝ 1 / sqrt( E^2 - E_w^crit^2 ) のようにスケーリングすることが確認された。
• 本モデルは、二層グラフェンおよびhBNにおける最近の実験で観測された電場およびねじれ角依存ヒステリシスを、電場で調整可能なドメインダイナミクスの結果として説明できる。