[论文解读] Stacking-engineered ferroelectricity in bilayer boron nitride

Kenji Yasuda, Xirui Wang+3 more|DSpace@MIT (Massachusetts Institute of Technology)|Oct 13, 2020

2D Materials and Applications被引用 6

一句话总结

该论文表明，通过堆叠工程，双层六方氮化硼（h-BN）可表现出稳定且可切换的面外铁电性，其极化方向随堆叠顺序而反转。利用石墨烯作为灵敏探测器，作者展示了室温下的铁电切换以及扭转引起的莫尔超晶格铁电性，实现了具有高载流子迁移率的超薄非易失性存储应用。

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.

研究动机与目标

• 证明非铁电性双层氮化硼可通过范德华堆叠工程化为二维铁电体。
• 建立通过堆叠顺序和扭转角调控二维异质结中铁电极化的手段。
• 在相邻石墨烯层中实现保持高载流子迁移率的室温铁电切换。
• 探索具有交错极化的扭曲双层h-BN中莫尔铁电性的出现。

提出的方法

• 通过受控堆叠顺序组装两层h-BN单层的范德华异质结构。
• 利用相邻石墨烯层作为基于电阻的探测器以检测极化切换。
• 在h-BN层之间施加小角度扭转以诱导莫尔超晶格。
• 通过石墨烯沟道中的电阻调制测量极化动力学。
• 采用理论建模解释堆叠依赖的极化和莫尔效应。
• 在已发表版本中使用压电力显微镜（PFC）确认铁电响应。

实验结果

研究问题

• RQ1 非铁电性二维材料如双层氮化硼是否可被工程化以表现出稳定的铁电性？
• RQ2 双层h-BN的堆叠顺序如何影响其面外极化？
• RQ3 双层h-BN中的扭转工程是否可诱导出具有空间调制极化的莫尔铁电性？
• RQ4 在保持相邻石墨烯中高迁移率的前提下，铁电切换是否可在室温下持续存在？
• RQ5 莫尔超晶格在调节极化切换动力学方面起什么作用？

主要发现

• 双层氮化硼表现出可切换的面外铁电极化，其方向随堆叠顺序反转，通过相邻石墨烯中的电阻调制得到证实。
• 铁电切换在室温下依然存在，为超薄存储器件的实际应用提供了可能。
• h-BN层的小角度扭转诱导出具有交错极化的莫尔铁电性，改变了切换动力学。
• 该系统在石墨烯层中保持了高载流子迁移率，从而维持了电子性能。
• 在已发表版本中，压电力显微镜（PFC）证实了铁电畴的存在及极化切换。
• 铁电行为源于堆叠引起的对称性破缺，而非h-BN本身的固有极性。