[论文解读] Spontaneous Electric Polarization in Graphene Polytypes

Simon Salleh Atri, Wei Cao+9 more|arXiv (Cornell University)|May 18, 2023

Graphene research and applications被引用 4

一句话总结

本文展示了，尽管由单一原子元素构成且单层结构具有中心对称性，三维非极性石墨烯多型体——特别是具有反演对称性和镜像对称性破缺堆叠的四层结构——仍表现出自发电极化。通过从头计算和紧束缚模型计算，作者发现电极化随静电掺杂增强，违背了典型的屏蔽行为，其原因在于堆叠序列的对称性破缺诱导了内部电荷分离。

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.

研究动机与目标

• 研究仅由单一元素构成的单原子层材料（如石墨烯）是否可在其单层不破缺反演对称性的前提下表现出自发电极化。
• 探讨特定堆叠序列下非极性石墨烯片层三维结构中电极化的起源。
• 确定静电掺杂如何影响这些多型体中的电极化，挑战传统屏蔽行为的预期。
• 确立多层石墨烯中平面内位移可产生多种亚稳态堆叠序列，并具有可调谐电极化特性。

提出的方法

• 采用从头算密度泛函理论（DFT）计算，研究具有非对称堆叠的四层石墨烯多型体的电子结构与电极化。
• 利用紧束缚模型，从解析角度探究电极化的起源及其对堆叠几何构型的依赖性。
• 基于电子波函数的贝里相位，采用现代电极化理论计算电极化。
• 通过群论分析，识别堆叠序列中反演对称性和镜像对称性的缺失，从而实现净电极化。
• 在模拟中通过外加栅极电势施加静电掺杂，以研究电极化响应。
• 通过单层的平面内位移生成多种堆叠序列，以探索具有不同电极化特性的亚稳态构型。

实验结果

研究问题

• RQ1 由单一元素构成的二维材料（如石墨烯）是否可在其单层具有中心对称性的情况下表现出自发电极化？
• RQ2 在非极性、对称的单层石墨烯片层构成的三维多型体中，电极化的起源是什么？
• RQ3 静电掺杂如何影响这些体系中的电极化，尤其与典型屏蔽行为形成对比？
• RQ4 多层石墨烯中的平面内位移是否可产生多种具有不同电极化特性的亚稳态堆叠序列？
• RQ5 对称性破缺的堆叠序列在使原本非极性的材料产生电极化中起到何种作用？

主要发现

• 在具有非对称堆叠的四层石墨烯多型体中，即使单层本身具有中心对称性且为非极性，仍观察到自发的面外电极化。
• 电极化源于层的三维排列，破坏了全局反演对称性和镜像对称性，而非原子种类差异所致。
• 与典型材料不同，电极化随静电掺杂增强而非因屏蔽效应而减弱，表明其具有非单调的屏蔽响应。
• 电极化大小可通过堆叠序列调节，平面内位移可实现多种具有不同电极化值的亚稳态构型。
• 从头算与紧束缚模型共同证实，电极化具有鲁棒性，其根源在于堆叠中电子电荷的非对称分布。
• 结果表明，通过可控堆叠，石墨烯多层结构可作为设计二维铁电与压电材料的平台。