[논문 리뷰] Atypical sliding and Moire ferroelectricity in pure multilayer graphene

Liu Yang, Shi-Ping Ding외 2명|PubMed|2023. 05. 12.

Graphene research and applications인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 더 많은 3층을 넘는 다층 그래핀에서 인터레이어 슬라이딩을 통해 강전기적 특성을 가질 수 있음을 첫 원리 증거로 제시하며, 극성 상태는 층 간 스태킹 대칭성 파괴와 비전형 모아 강전기 패턴으로부터 발생한다.

ABSTRACT

Most nonferroelectric two-dimensional materials can be endowed with so-called sliding ferroelectricity via nonequivalent homobilayer stacking, which is not applicable to monoelement systems like pure graphene bilayer with inversion symmetry at any sliding vector. Herein, we show first-principles evidence that multilayer graphene with N>3 can all be ferroelectric, where the polarizations of polar states stem from the symmetry breaking in stacking configurations of across layer instead of adjacent layer, which are electrically switchable via interlayer sliding. The nonpolar states can also be electrically driven to polar states via sliding, and more diverse states with distinct polarizations will emerge in more layers. In contrast to the ferroelectric moiré domains with opposite polarization directions in twisted bilayers reported previously, the moiré pattern in some multilayer graphene systems (e.g., twisted monolayer-trilayer graphene) possess nonzero net polarizations with domains of the same direction separated by nonpolar regions, which can be electrically reversed upon interlayer sliding. The distinct moiré bands of two polar states should facilitate electrical detection of such sliding moiré ferroelectricity during switching.

연구 동기 및 목표

• 이중층을 넘는 순수 다층 그래핀에서의 강전기성 탐구를 촉진한다.
• 극성 상태가 인접 층의 대칭이 아니라 층 간 스태킹 대칭성 파괴로부터 발생함을 보인다.
• 층 간 슬라이딩을 통해 극성 상태의 전기적 스위치 가능성을 보여준다.
• 비극성 상태가 층 간 슬라이딩으로 극성 상태로 전이될 수 있으며 에너지 면에서 거의 동등하다.
• 층 수 N>3를 증가시키면 가능한 극성 구성들이 어떻게 확장되는지 탐구한다.

제안 방법

• 다층 그래핀에서의 적층 구성과 극성을 연구하기 위해 첫 원리 계산을 수행한다.
• 층 간 스태킹 대칭성 파괴에서 발생하는 극성 상태를 확인한다.
• 극성 및 비극성 상태 간 전기적 스위치를 가능하게 하는 메커니즘으로 층 간 슬라이딩을 평가한다.
• 꼬임이 있는 다층 그래핀 시스템에서 모아 패턴과 순극화를 비교한다.
• 다양한 모아 밴드가 극성 상태 전환 및 전기적 검출 가능성과 어떻게 상관되는지 특징화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 특정 구성에서 반전 대칭이 존재하더라도 N>3인 순수 다층 그래핀에서 강전기성이 나타날 수 있는가?
• RQ2 극성 상태가 층 간 스태킹 대칭성 파괴로부터 안정화되며 층 간 슬라이딩으로 스위치 가능할까?
• RQ3 꼬인 다층 그래핀의 모아 패턴이 전기적으로 제어 가능한 순 극화를 만들어 내는가?
• RQ4 층 수 N의 증가가 극성 구성의 다양성과 에너지에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 첫 원리 증거에 따르면 N>3인 다층 그래핀은 강전기성을 가질 수 있다.
• 극성 상태는 인접 층뿐 아니라 층 간의 대칭성 파괴에서 비롯된다.
• 비극성 상태는 층 간 슬라이딩으로 극성 상태로 전이될 수 있으며 에너지 면에서 거의 근사한다.
• 일부 모아 패턴(예: twisted monolayer-trilayer graphene)은 같은 방향의 도메인이 비극성 영역으로 구분된 비제로 순극화를 가진다.
• 극성 상태에 대응하는 서로 다른 모아 밴드는 스위칭 중 전기적 검출을 가능하게 한다.