[論文レビュー] Spontaneous Electric Polarization in Graphene Polytypes

Simon Salleh Atri, Wei Cao+9 more|arXiv (Cornell University)|May 18, 2023

Graphene research and applications被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、非極性グラフェン単層膜の三次元多型—具体的には鏡像対称性および反転対称性に欠ける積層を持つ四層構造—が、単一の原子元素で構成され、中心対称性を持つ層を有するにもかかわらず、自発的な電気分極を示すことを示している。第一原理およびタイトバインディング計算により、著者らは電気的ドーピングに伴い分極が増加するが、通常のスクリーニング行動とは逆転することを明らかにした。これは、対称性破れ積層が内部電荷分離を引き起こすことに起因する。

ABSTRACT

A crystalline solid is a periodic sequence of identical cells, each containing one or more atoms. If the constituting unit cell is not centrosymmetric, charge may distribute unevenly between the atoms, resulting in internal electric polarization. This effect serves as the basis for numerous ferroelectric, piezoelectric, and pyroelectric phenomena. In nearly all polar materials, including multilayered van der Waals stacks that were recently found to exhibit interfacial polarization, inversion symmetry is broken by having two or more atomic species within the unit cell. Here, we show that even elemental crystals, consisting of one type of atom, and composed of non-polar centrosymmetric layers, exhibit electric polarization if arranged in an appropriate three-dimensional architecture. This concept is demonstrated here for inversion and mirror asymmetric mixed-stacking tetra-layer polytypes of non-polar graphene sheets. Furthermore, we find that the room temperature out-of-plane electric polarization increases with external electrostatic doping, rather than decreases owing to screening. Using first-principles calculations, as well as tight-binding modeling, we unveil the origin of polytype-induced polarization and its dependence on doping. Extension of this idea to graphene multilayers suggests that solely by lateral shifts of constituent monolayers one can obtain multiple meta-stable interlayer stacking sequences that may allow for even larger electrical polarization.

研究の動機と目的

• グラフェンのような元素で構成され、個々の層が逆転対称性を破っていない単一原子層材料が、個々の層が中心対称性を持つにもかかわらず、自発的電気分極を示すかどうかを調査すること。
• 特定の積層順序を有する非極性グラフェンシートの三次元構造における電気分極の起源を明らかにすること。
• 電気的ドーピングがこれらの多型における分極に与える影響を特定し、従来のスクリーニング期待とは対照的である点を検証すること。
• 横方向のずれが多層グラフェンで複数の準安定積層順序を生成し、調整可能な分極をもたらすことを確立すること。

提案手法

• 非対称積層を有する四層グラフェン多型における電子構造および分極を計算するために、第一原理密度汎関数理論（DFT）計算が用いられた。
• 分極の起源および積層幾何学的依存性を解析的に調査するために、タイトバインディングモデルが採用された。
• 分極は、電子波動関数のベリー位相に依存する現代の分極理論を用いて計算された。
• 積層順序における逆転対称性および鏡像対称性の欠如を特定するため、対称性解析が実施された。これにより、ネット分極が可能となった。
• 分極応答を調査するために、シミュレーションで外部ゲート電位を用いて電気的ドーピングが施された。
• 複数の積層順序は、単層の横方向のずれによって生成され、分極が異なる準安定状態を探索した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中心対称性を持つ単一元素の2次元材料、例えばグラフェンは、個々の層が中心対称性を持つにもかかわらず、自発的電気分極を示すことができるか？
• RQ2 非極性で対称的な層を有する三次元グラフェン多型における分極の起源は何か？
• RQ3 電気的ドーピングは、これらの系における分極にどのように影響を与えるか。特に、通常のスクリーニング行動とは対照的である点は？
• RQ4 多層グラフェンにおける横方向のずれが、分極特性が異なる複数の準安定積層順序を生成できるか？
• RQ5 対称性破れ積層順序は、そうでない非極性材料において分極を可能にする上で果たす役割は何か？

主な発見

• 非対称積層を有する四層グラフェン多型では、個々の単層が中心対称性であり非極性であるにもかかわらず、自発的な面外方向電気分極が観測された。
• 分極は、原子種の違いではなく、層の三次元的配置に起因し、全体の逆転対称性および鏡像対称性の破れによって生じる。
• 通常の物質とは異なり、分極は電気的ドーピングに伴い減少するのではなく増加するため、非単調なスクリーニング応答を示しており、これは特異な挙動である。
• 分極の大きさは積層順序によって調整可能であり、単層の横方向のずれにより、分極値が異なる複数の準安定構造が実現可能である。
• 第一原理およびタイトバインディングモデルにより、分極が安定的であり、スタック全体にわたる電子的電荷分布の非対称性に起因することが確認された。
• 本結果は、制御された積層によって、グラフェン多層膜が2次元フェロエレクトリックおよびピエゾエレクトリック材料の設計プラットフォームとして利用可能である可能性を示唆している。