[논문 리뷰] Stacking-engineered ferroelectricity in bilayer boron nitride

Kenji Yasuda, Xirui Wang외 3명|DSpace@MIT (Massachusetts Institute of Technology)|2020. 10. 13.

2D Materials and Applications인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 쌓기 공학을 통해 이중층 박리질화붕소질화물(h-BN)이 쌓기 순서에 따라 극성이 반전되는 강력하고 스위칭 가능한 수직 방향 페로일렉트릭성을 나타낼 수 있음을 보여준다. 그래핀을 민감한 탐지 수단으로 사용하여 저온에서의 페로일렉트릭 스위칭과 비틀기로 유도된 모리 초격자 효과에 의한 페로일렉트릭성을 입증함으로써, 높은 운반자 이동도를 유지하는 초박막 비가열 메모리 응용 가능성을 제시한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 비페로일렉트릭성인 이중층 박리질화붕소질화물이 반데르발스 쌓기 방식을 통해 2차원 페로일렉트릭성으로 공학화될 수 있음을 보여주는 것.
• 2차원 이종구조에서 쌓기 순서와 비틀기 각도를 조절하여 페로일렉트릭 극성을 조절하는 방법을 확립하는 것.
• 접한 그래핀 계층에서 고운반자 이동도를 유지하면서 실온에서의 페로일렉트릭 스위칭을 달성하는 것.
• 비스듬한 극성으로 특징지어지는 비틀어진 이중층 h-BN에서 모리 페로일렉트릭성이 어떻게 나타나는지 탐색하는 것.

제안 방법

• 제어된 쌓기 순서를 가진 두 개의 h-BN 단층으로 구성된 반데르발스 이종구조 조립.
• 극성 스위칭을 탐지하기 위해 인접한 그래핀 계층을 저항 기반 탐지 수단으로 사용.
• h-BN 계층 간의 작은 각도 비틀기를 적용하여 모리 초격자 유도.
• 그래핀 채널에서의 저항 조절을 통해 극성 동역학 측정.
• 쌓기 순서에 따른 극성과 모리 효과를 설명하기 위해 이론적 모델링 활용.
• 출판된 버전에서 페로일렉트릭 반응을 확인하기 위해 피에조응력력 현미경(PFC) 사용.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비페로일렉트릭 2차원 물질인 이중층 박리질화붕소질화물이 쌓기 공학을 통해 강력한 페로일렉트릭성을 나타낼 수 있는가?
• RQ2 이중층 h-BN의 쌓기 순서가 수직 방향 극성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 이중층 h-BN에서의 비틀기 공학이 비스듬한 극성을 가지는 모리 페로일렉트릭성을 유도할 수 있는가?
• RQ4 접한 그래핀에서 고운반자 이동도를 유지하면서도 실온에서의 페로일렉트릭 스위칭이 유지되는가?
• RQ5 모리 초격자가 극성 스위칭의 동역학을 어떻게 수정하는가?

주요 결과

• 접한 그래핀에서의 저항 조절을 통해 확인된 바와 같이, 이중층 박리질화붕소질화물은 쌓기 순서에 따라 반전되는 스위칭 가능한 수직 방향 페로일렉트릭 극성을 나타낸다.
• 페로일렉트릭 스위칭은 실온까지 유지되어 초박막 메모리 장치의 실용적 응용 가능성을 제공한다.
• h-BN 계층의 작은 각도 비틀기는 비스듬한 극성을 가지는 모리 페로일렉트릭성을 유도하며, 스위칭 동역학을 변화시킨다.
• 이 시스템은 그래핀 계층에서 높은 운반자 이동도를 유지하여 전자적 성능을 그대로 보존한다.
• 출판된 버전에서의 피에조응력력 현미경(PFC)은 페로일렉트릭 도메인과 극성 스위칭의 존재를 확인한다.
• 페로일렉트릭 거동은 h-BN의 고유한 극성 때문이 아니라 쌓기로 인한 대칭성 붕괴에 기인한다.