[논문 리뷰] Electrically tunable stacking domains and ferroelectricity in moir\'e superlattices

Daniel Bennett, Benjamin Remez|arXiv (Cornell University)|2021. 08. 24.

Ferroelectric and Piezoelectric Materials참고 문헌 55인용 수 51

한 줄 요약

이 논문은 외부 전기장이 모리 초격자 격자 영역에서 비대칭적 리라크세이션을 유도하여 순극성과 유사한 반도체 반도체 반응을 유도하는 이론적 모델을 제안한다. 전기장은 영역 경계를 연약하게 하고 유전율 스크리닝을 통해 그 너비를 조절하며, MoS2의 경우 약 2.47 V/Å에서 영역 붕괴를 유도하는 임계 전기장이 예측된다. 이는 2차원 이방성 구조에서 전기적으로 조절 가능한 반도체 반도체 반응의 메커니즘을 제공한다.

ABSTRACT

It is well known that stacking domains form in moir\'e superlattices due to the competition between the interlayer van der Waals forces and intralayer elastic forces, which can be recognized as polar domains due to the local spontaneous polarization in bilayers without centrosymmetry. We propose a theoretical model which captures the effect of an applied electric field on the domain structure. The coupling between the spontaneous polarization and field leads to uneven relaxation of the domains, and a net polarization in the superlattice at nonzero fields, which is sensitive to the moir\'e period. We show that the dielectric response to the field reduces the stacking energy and leads to softer domains in all bilayers. We then discuss the recent observations of ferroelectricity in the context of our model.

연구 동기 및 목표

• 비극성 물질인 이중층 그래핀과 hBN에서 관찰된 비정상적인 반도체 반도체 반응의 기원을 이해하기 위해.
• 외부 전기장이 자발 극성과의 결합을 통해 모리 초격자에서 스택 영역 구조를 어떻게 수정하는지 조사하기 위해.
• 전기장에 대한 이중층 시스템의 유전율 반응을 모델링하고, 영역 경계의 연약함과 안정성에 미치는 영향을 분석하기 위해.
• 기울인 2차원 물질에서의 전기장 의존성 히스테리시스 및 반도체 반도체 행동에 대한 최근 실험 관측을 설명하기 위해.

제안 방법

• 외부 전기장 하에서 탄성 에너지, 스택 에너지, 전기적 에너지를 포함한 모리 초격자에 대한 연속체 장 이론 모델을 개발하였다.
• 장치된 붕괴를 정확하게 기술할 수 있도록 스택 에너지에 대해 전체 비조화 반데르발스 포텐셜을 통합하였다.
• 전기장이 수직 방향 분극 모멘트에 직접적으로 작용하는 것과, 분극율 전개를 통한 유전율 반응을 모두 포함하였다.
• 1D 프렌켈-콘타로바(FK) 모델을 사용하여 전기장과 기울기 각도에 따라 영역 경계의 프로파일과 너비를 해석적·수치적으로 해석하였다.
• 영역 경계의 너비가 전기장과 기울기 각도의 함수로 유도되었으며, MoS2의 경우 임계 전기장 E_crit ≈ 2.47 V/Å에서 발산함을 보였다.
• 초기 원리 계산과 비교하여 다양한 기울기 각도와 격자 불일치 조건에서 결과를 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 외부 전기장은 모리 초격자에서의 평형 스택 영역 구조에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 유전율 스크리닝은 효과적 스택 에너지와 영역 경계의 연약함을 어떻게 수정하는가?
• RQ3 이중층 그래핀과 hBN에서 관측된 반도체 히스테리시스는 전기장 의존성 영역 리라크세이션으로 설명될 수 있는가?
• RQ4 스택 영역이 불안정하거나 붕괴되는 임계 전기장는 얼마인가?
• RQ5 2차원 이방성 구조에서 영역 경계 너비는 기울기 각도와 적용된 전기장에 따라 어떻게 달라지는가?

주요 결과

• 외부 전기장은 자발 극성과의 결합으로 인해 스택 영역의 비대칭적 리라크세이션을 유도하여 매크로스코픽 순극성이 발생한다.
• 유전율 반응은 효과적 스택 에너지를 감소시키며, 영역 경계를 연약하게 하고 전기장에 의한 재구성에 더 민감하게 만든다.
• 영역 경계 너비는 전기장이 감소함에 따라 증가하며, MoS2의 경우 임계 전기장 E_w^crit ≈ 2.47 V/Å에서 발산한다. 이는 격자 불일치와 무관하다.
• 모델은 이중층 붕괴에 대한 임계 전기장 E_AB^crit ≈ 2.37 V/Å를 예측하며, E_w^crit보다 略적으로 낮아 영역 구조가 불안정해지는 영역이 존재함을 시사한다.
• 1D FK 모델의 수치적·해석적 해석은 영역 경계 너비가 임계 전기장 근처에서 w ∝ 1 / sqrt( E^2 - E_w^crit^2 ) 비례로 증가함을 확인하였다.
• 모델은 최근 이중층 그래핀과 hBN에서 관측된 전기장 및 기울기 각도 의존성 히스테리시스를 전기장 조절 가능 영역 역학의 결과로 설명할 수 있다.