[論文レビュー] Ferroelectric switching of a two-dimensional metal

Zaiyao Fei, Wenjin Zhao+7 more|arXiv (Cornell University)|Sep 12, 2018

Ferroelectric and Piezoelectric Materials参考文献 23被引用数 25

ひとこと要約

本論文は、2次元金属である少数層WTe2にゲート電圧を印加することで、面外方向の電気分極を反転させることで、強誘電体的スイッチングを実証した。金属であるにもかかわらず、極めて薄い構造により十分な電場の浸透が可能となり、室温でも安定的かつスイッチ可能な分極が実現された。これは、グラフェン電場センサーや電導度測定によって確認された。

ABSTRACT

Abstract A ferroelectric is a material with a polar structure whose polarity can be reversed (switched) by applying an electric field1, 2. In metals, itinerant electrons screen electrostatic forces between ions, which explains in part why polar metals are very rare3–7. Screening also excludes external electric fields, apparently ruling out the possibility of ferroelectric switching. However, in principle, a thin enough polar metal could be sufficiently penetrated by an electric field to have its polarity switched. Here we show that the topological semimetal WTe2 provides an embodiment of this principle. Although monolayer WTe2 is centro-symmetric and thus non-polar, the stacked bulk structure is polar. We find that two- or three-layer WTe2 exhibits spontaneous out-of-plane electric polarization that can be switched using gate electrodes. We directly detect and quantify the polarization using graphene as an electric-field sensor8. Moreover, the polarization states can be differentiated by conductivity and the carrier density can be varied to modify the properties. The temperature at which polarization vanishes is above 350 kelvin, and even when WTe2 is sandwiched between graphene layers it retains its switching capability at room temperature, demonstrating a robustness suitable for applications in combination with other two-dimensional materials9–12.

研究の動機と目的

• 強誘電体的スイッチングが、従来のスクリーニング理論に反する2次元金属において可能かどうかを調査すること。
• 超薄膜状態にあるWTe2が、スクリーニング効果の低減により、スイッチ可能な分極を維持できるかどうかを特定すること。
• グラフェンを電場センサーとして用いて、少数層WTe2における分極を実験的に検出し、定量すること。
• 特にヴァン・デル・ワールスヘテロ構造において、分極スイッチングの熱的安定性と頑健性を評価すること。
• 2次元材料における分極制御による電子的性質のチューナビリティを探索すること。

提案手法

• 少数層WTe2（2〜3層）を強誘電体チャネルとして使用し、単層では中心対称性を示すものの、内部的に体積分極を有する特性を活用する。
• 上部ゲートからの電場を印加して、WTe2内の面外分極を反転させる。
• 分極を直接検出し、定量するために、非破壊的電場センサーとしてのグラフェンを採用する。
• 分極状態の違いを区別し、スイッチングを確認するために、電導度の変化を測定する。
• バックゲーティングによりキャリア密度を制御し、電子的性質をチューニングするとともに、分極効果を調査する。
• 温度依存測定を用いて分極転移温度を同定し、350 Kを超えて持続することを示した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強いスクリーニング効果があるにもかかわらず、2次元金属において強誘電体的スイッチングが可能かどうか。
• RQ2 WTe2の超薄膜状態が、分極を反転させるのに十分な電場の浸透を可能にするか。
• RQ3 グラフェン電場センサーを用いて、少数層WTe2の分極を直接測定・定量できるか。
• RQ4 特にヘテロ構造において、WTe2の強誘電体的状態の熱的安定性はいかほどか。
• RQ5 分極制御とゲート電圧を用いて、WTe2の電子的性質をチューニングできるか。

主な発見

• 少数層WTe2は、スイッチ可能な面外電気分極を示し、ゲート電極によって制御可能である。
• 分極は、電場センサーとしてのグラフェンを用いて直接検出し、定量された。
• 分極スイッチングは350 Kを超える温度でも安定しており、優れた熱的頑健性を示している。
• グラフェン層で包み込まれても、WTe2は室温で依然として強誘電体的スイッチングを維持している。
• 分極状態は電導度の変化によって区別可能であり、電気的リードアウトが可能である。
• ゲーティングによりWTe2のキャリア密度を制御でき、分極スイッチングと併せて電子的性質の動的制御が可能である。