[论文解读] Charge-polarized interfacial superlattices in marginally twisted hexagonal boron nitride

Colin R. Woods, Pablo Ares+8 more|arXiv (Cornell University)|Oct 14, 2020

Graphene research and applicationsMaterials Science参考文献 8被引用 22

一句话总结

本研究揭示了在轻微扭曲的六方氮化硼（hBN）双层中存在电荷极化的界面超晶格，其由界面弹性形变驱动，导致B-N对在界面间产生垂直方向的偶极矩。通过静电力显微镜，作者观察到具有大而与尺寸和取向无关的表面电势的三角形超晶格畴，建模结果证实其为具有交替（BN与NB）偶极极化方向的双层厚铁电体。

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.

研究动机与目标

• 研究扭曲双层hBN中的电子与结构重构，该体系为绝缘性2D范德华异质结构。
• 理解hBN层间微小扭转角如何影响界面电子性质与对称性破缺。
• 探索长程有序静电畴的出现及其在新型2D异质结构中的潜在应用。
• 通过实验与理论分析，阐明在轻微扭曲hBN中大而稳定表面电势的起源。

提出的方法

• 采用静电力显微镜（EFM）测绘轻微扭曲hBN双层中表面电势的分布变化。
• 利用原子力显微镜（AFM）与透射电子显微镜（TEM）表征扭转角与界面结构。
• 开展原子尺度模拟，以建模界面弹性形变及其对偶极形成的影响。
• 分析静电畴的空间相关性，识别三角形超晶格图案。
• 将系统建模为具有交替（BN与NB）偶极取向的双层厚铁电体。
• 将实验EFM数据与极化及电势分布的理论预测进行关联。

实验结果

研究问题

• RQ1 是什么导致了在轻微扭曲hBN双层中形成大而稳定的表面电势？
• RQ2 界面弹性形变如何促进周期性静电畴的出现？
• RQ3 hBN-hBN界面处的极化性质为何种本质？与体相hBN有何不同？
• RQ4 所观察到的超晶格结构能否通过绝缘2D体系中的铁电性机制加以解释？
• RQ5 hBN晶粒的尺寸、取向与厚度如何影响所观测到的静电畴？

主要发现

• 静电力显微镜揭示了具有约1.5 V大而均匀表面电势的三角形超晶格畴，该电势与畴的尺寸、取向或hBN厚度无关。
• 表面电势在样品的不同区域保持稳定，表明存在一种长程且本征的有序机制。
• 界面弹性形变被确定为电荷极化的主驱动因素，导致hBN界面处产生垂直方向偶极矩。
• 所观测到的极化图案对应于相邻畴中交替的（BN与NB）偶极取向，类似于双层厚铁电体。
• 建模结果证实，该体系支持稳定且周期性的极化，其特征超晶格周期性与实验观测结果一致。
• 该现象仅在小扭转角下出现，表明其强烈依赖于层间对齐与晶格失配。