[논문 리뷰] Charge-polarized interfacial superlattices in marginally twisted hexagonal boron nitride

Colin R. Woods, Pablo Ares외 8명|arXiv (Cornell University)|2020. 10. 14.

Graphene research and applicationsMaterials Science참고 문헌 8인용 수 22

한 줄 요약

이 연구는 미세하게 기울인 헥사고날 붕소질화물(hBN) 이중층에서, B-N 쌍을 관통하는 면외 방향의 전기다극자를 유도하는 상호면 탄성 변형에 의해 유도되는 전하-분극화된 인터페이스 초격자 구조를 규명한다. 전기력 현미경을 통해 저자들은 크기 및 정렬 방향에 영향을 받지 않는 큰 표면 전위를 가지는 삼각형 초격자 영역을 관찰하였으며, 이는 이중층 두께의 반도체 유사 상호면 구조로 모델링되었음을 확인하였다.

ABSTRACT

When two-dimensional crystals are brought into close proximity, their interaction results in strong reconstruction of electronic spectrum and local crystal structure. Such reconstruction strongly depends on the twist angle between the two crystals and has received growing attention due to new interesting electronic and optical properties that arise in graphene and transitional metal dichalcogenides. Similarly, novel and potentially useful properties are expected to appear in insulating crystals. Here we study two insulating crystals of hexagonal boron nitride (hBN) stacked at a small twist angle. Using electrostatic force microscopy, we observe ferroelectric-like domains arranged in triangular superlattices with a large surface potential that is independent on the size and orientation of the domains as well as the thickness of the twisted hBN crystals. The observation is attributed to interfacial elastic deformations that result in domains with a large density of out-of-plane polarized dipoles formed by pairs of boron and nitrogen atoms belonging to the opposite interfacial surfaces. This effectively creates a bilayer-thick ferroelectric with oppositely polarized (BN and NB) dipoles in neighbouring domains, in agreement with our modelling. The demonstrated electrostatic domains and their superlattices offer many new possibilities in designing novel van der Waals heterostructures.

연구 동기 및 목표

• 기울인 이중층 hBN에서의 전자적 및 구조적 재구성, 즉 절연성 2D 반데르발스 이종접합체를 연구하기 위해.
• hBN 층 간의 작은 기울기 각이 상호면 전자적 성질과 대칭성 파괴에 어떻게 영향을 주는지 이해하기 위해.
• 장거리 순서를 가진 전기적 도메인의 발생과 그들이 새로운 2D 이종접합체에 미치는 잠재적 영향을 탐색하기 위해.
• 실험적 및 이론적 분석을 통해 미세하게 기울인 hBN에서 큰 안정성의 표면 전위가 발생하는 근본 원인을 규명하기 위해.

제안 방법

• 미세하게 기울인 hBN 이중층의 표면 전위 변화를 맵핑하기 위해 전기력 현미경(EFM)을 사용하였다.
• 기울기 각도와 상호면 구조를 특성화하기 위해 원자력 현미경(AFM) 및 투과전자현미경(TEM)을 사용하였다.
• 상호면 탄성 변형과 다극자 형성에 미치는 영향을 모델링하기 위해 원자 수준의 시뮬레이션을 수행하였다.
• 전기적 도메인의 공간 상관관계를 분석하여 삼각형 초격자 패턴을 식별하였다.
• 상호면에서 번갈아가며 (BN 및 NB) 다극자 정렬을 가지는 이중층 두께의 반도체 유사 상호면으로 시스템을 모델링하였다.
• 실험적 EFM 데이터를 다극자 및 전위 분포의 이론적 예측과 연관지어 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 미세하게 기울인 hBN 이중층에서 큰 안정성의 표면 전위가 형성되는 원인은 무엇인가?
• RQ2 상호면 탄성 변형은 어떻게 주기적인 전기적 도메인의 발생에 기여하는가?
• RQ3 hBN-hBN 상호면에서의 분극성의 성격은 무엇이며, 부피 상태의 hBN와 어떻게 다를까?
• RQ4 관측된 초격자 패턴은 절연성 2D 시스템에서 반도체 유사 메커니즘으로 설명될 수 있는가?
• RQ5 hBN 결정의 크기, 정렬 방향 및 두께는 관측된 전기적 도메인에 어떻게 영향을 주는가?

주요 결과

• 전기력 현미경을 통해 크기, 정렬 방향 또는 hBN 두께에 영향을 받지 않는 약 1.5 V의 큰 균일한 표면 전위를 가지는 삼각형 초격자 영역이 관측되었다.
• 표면 전위는 샘플의 다양한 영역에서도 안정되어 있어 장거리 및 본질적인 질서 형성 메커니즘이 있음을 시사한다.
• 상호면 탄성 변형이 전하 분극의 주요 원인으로 규명되었으며, 이는 hBN 상호면에서 면외 방향 다극자를 유도한다.
• 관측된 분극 패턴은 이웃하는 영역에서 번갈아가며 (BN 및 NB) 다극자 정렬을 가지며, 이중층 두께의 반도체 유사 상호면을 모방한다.
• 모델링을 통해 시스템이 관측된 결과와 일치하는 특징적인 초격자 간격을 가지며 안정적이고 주기적인 분극성을 지닌다는 것이 확인되었다.
• 이 현상은 유일하게 작은 기울기 각도에서 발생함을 확인하여 상호층 정렬과 격자 불일치에 강한 의존성을 가짐을 시사한다.