[논문 리뷰] Spontaneous Electric Polarization in Graphene Polytypes

Simon Salleh Atri, Wei Cao외 9명|arXiv (Cornell University)|2023. 05. 18.

Graphene research and applications인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 비극성 그래핀 단일층의 3차원 다형체—특히 정반사 및 면대칭성이 없는 배열을 가진 4층 구조—가 단일 원소로 구성되어 있고 각 층이 중심대칭성을 가지지만 여전히 자발적인 전기 극성이 나타남을 보여준다. 1차 원리 및 탄성전자 모델링을 통해 저자들은 전기적 도핑이 증가함에 따라 전극성도 증가함을 밝혀내었으며, 이는 일반적인 스크리닝 거동과는 반대되는 것으로, 대칭성이 깨진 배열이 내부 전하 분리 현상을 유도하기 때문임을 규명하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 그래핀과 같은 원소로 이루어진 단일 원자층 물질이 개별 층에서의 중심대칭성과 반전대칭성을 유지함에도 불구하고 자발적인 전기 극성을 나타낼 수 있는지 조사하기 위해.
• 특정 배열 순서를 가진 비극성 그래핀 시트의 3차원 구조에서 전기 극성의 기원을 탐구하기 위해.
• 전자기적 도핑이 이러한 다형체의 극성에 미치는 영향을 분석하여 기존의 스크리닝 기대치와의 대비를 규명하기 위해.
• 다층 그래핀에서의 횡방향 이동이 조절 가능한 극성 특성을 가진 다수의 준안정 상태 배열을 생성할 수 있음을 확인하기 위해.

제안 방법

• 비대칭 배열을 가진 4층 그래핀 다형체의 전자 구조와 극성을 계산하기 위해 1차 원리 밀도함수이론(DFT) 계산을 수행하였다.
• 극성의 기원과 배열 기하학에 대한 의존성 분석을 위해 탄성전자 모델링을 활용하였다.
• 전자파동함수의 베리 위상에 기반한 현대 극성 이론을 사용하여 극성을 계산하였다.
• 역행성 및 면대칭성이 없는 배열 순서를 식별하기 위해 대칭성 분석을 수행하였다.
• 모의 실험에서 외부 게이트 전압을 통해 전기적 도핑을 적용하여 극성 반응을 연구하였다.
• 다양한 극성 값을 가진 준안정 상태 구조를 탐색하기 위해 단층의 횡방향 이동을 통해 다수의 배열 순서를 생성하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비극성 단일 원소 2차원 물질인 그래핀이 개별 층이 중심대칭성을 가지더라도 자발적인 전기 극성을 나타낼 수 있는가?
• RQ2 비극성 대칭 층을 가진 3차원 그래핀 다형체에서 극성의 기원은 무엇인가?
• RQ3 전자기적 도핑은 이러한 시스템의 극성에 어떻게 영향을 미치는가? 특히 전형적인 스크리닝 거동과의 대비에서 어떻게 다를 수 있는가?
• RQ4 다층 그래핀에서의 횡방향 이동이 서로 다른 극성 특성을 가진 다수의 준안정 상태 배열을 생성할 수 있는가?
• RQ5 대칭성이 깨진 배열 순서는 비극성 물질에서 극성을 가능하게 하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 비대칭 배열을 가진 4층 그래핀 다형체에서 단일 층이 중심대칭성과 비극성을 가지더라도, 수직 방향의 자발적 전기 극성이 관측되었다.
• 극성은 원소의 종류 차이가 아닌, 층의 3차원 배열에 기인하며, 전체적인 반전대칭성과 면대칭성이 깨지면서 발생한다.
• 일반적인 물질과 달리, 전기적 도핑이 증가함에 따라 극성이 감소하는 대신 증가함을 확인하였으며, 이는 비단조화적인 스크리닝 반응을 나타내며, 이는 대칭성 깨짐에 기인한 내부 전하 분리 때문임을 규명하였다.
• 극성 크기는 배열 순서에 따라 조절 가능하며, 단층의 횡방향 이동을 통해 서로 다른 극성 값을 가진 다수의 준안정 상태 구성이 가능하다.
• 1차 원리 및 탄성전자 모델링을 통해 극성이 강건하며, 스택 전반에 걸친 전자 전하 비대칭 분포에서 기인함을 확인하였다.
• 결과적으로, 제어된 배열을 통해 그래핀 다층체는 2차원 페로전자 및 피에조전자 소재 설계의 플랫폼이 될 수 있음을 시사한다.