[論文レビュー] Stacking-engineered ferroelectricity in bilayer boron nitride

Kenji Yasuda, Xirui Wang+3 more|DSpace@MIT (Massachusetts Institute of Technology)|Oct 13, 2020

2D Materials and Applications被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、積層構造の工夫により、二層窒化ホウ素（h-BN）が積層順序に応じて極性が反転する、頑健でスイッチ可能な面外フェロエレクトリシティを示すことを示している。グラフェンを感受性プローブとして用いることで、室温でのフェロエレクトリックスイッチングおよびねじれによって誘起されるモアレ効果に起因するフェロエレクトリシティを実証し、高キャリア移動度を維持する超薄型の非揮発性メモリ応用を可能にする。

ABSTRACT

2D ferroelectrics with robust polarization down to atomic thicknesses provide novel building blocks for functional heterostructures. Experimental reports, however, remain scarce because of the requirement of a layered polar crystal. Here, we demonstrate a rational design approach to engineering 2D ferroelectrics from a non-ferroelectric parent compound via employing van der Waals assembly. Parallel-stacked bilayer boron nitride is shown to exhibit out-of-plane electric polarization that reverses depending on the stacking order. The polarization switching is probed via the resistance of an adjacently-stacked graphene sheet. Furthermore, twisting the boron nitride sheets by a small-angle changes the dynamics of switching due to the formation of moiré ferroelectricity with staggered polarization. The ferroelectricity persists to room temperature while keeping the high mobility of graphene, paving the way for potential ultrathin nonvolatile memory applications.

研究の動機と目的

• 非フェロエレクトリックな二層窒化ホウ素が、ヴァン・デル・ワールス積層によって2次元フェロエレクトリックに変換可能であることを示すこと。
• 2次元ヘテロ構造における積層順序およびねじれ角度を用いたフェロエレクトリック極性の制御法を確立すること。
• 隣接するグラフェン層で高いキャリア移動度を維持しつつ、室温でのフェロエレクトリックスイッチングを達成すること。
• スケイリングされた極性を有するねじり二層h-BNにおけるモアレフェロエレクトリシティの出現を調査すること。

提案手法

• 制御された積層順序を有する二枚のh-BN単層によるヴァン・デル・ワールスヘテロ構造の組立。
• 隣接するグラフェン層を抵抗ベースのプローブとして用い、極性スイッチングを検出すること。
• h-BN層間の微小なねじれを適用してモアレスーパーラティスを誘起すること。
• グラフェンチャネルにおける抵抗変調を用いて極性ダイナミクスを測定すること。
• 積層依存極性およびモアレ効果を説明する理論的モデリングの適用。
• 発表版では、フェロエレクトリック応答を確認するために誘電力プローブ顕微鏡（PFC）を用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非フェロエレクトリックな2次元材料たる二層窒化ホウ素が、工程的に頑健なフェロエレクトリシティを示すことができるか？
• RQ2 二層h-BNの積層順序がその面外極性にどのように影響するか？
• RQ3 二層h-BNにおけるねじれ工学によって、空間的に周期的な極性を有するモアレフェロエレクトリシティが誘起されるか？
• RQ4 隣接するグラフェンで高い移動度を維持しつつ、フェロエレクトリックスイッチングが室温でも持続するか？
• RQ5 モアレスーパーラティスが極性スイッチングダイナミクスをどのように変化させるか？

主な発見

• 隣接するグラフェンにおける抵抗変調により確認されたように、二層窒化ホウ素は積層順序に応じてスイッチ可能な面外フェロエレクトリック極性を示す。
• フェロエレクトリックスイッチングは室温まで持続し、超薄型メモリデバイスへの実用的応用を可能にする。
• h-BN層の微小なねじれによって、スケイリングされた極性を有するモアレフェロエレクトリシティが誘起され、スイッチングダイナミクスが変化する。
• この系はグラフェン層で高いキャリア移動度を維持しており、電子的性能が保たれている。
• 発表版における誘電力プローブ顕微鏡（PFC）により、フェロエレクトリックドメインおよび極性スイッチングの存在が確認された。
• フェロエレクトリック性は、h-BNの固有の極性によるのではなく、積層に起因する対称性の破れに起因する。