路建明课题组发现石墨烯氮化硼异质结中的铁电极化

北京大学物理学院凝聚态物理与材料物理研究所、人工微结构和介观物理国家重点实验室路建明研究员课题组在氮化硼与双层石墨烯晶格对齐形成的摩尔超晶格体系中发现了极大的铁电极化，其电荷面密度高达10¹³cm^-2，远超过摩尔窄带所容纳的电子密度；高达5pCm^-1的界面极化位于人工堆垛范德华异质结中最高界面铁电之一。相关研究成果以《双层石墨烯异质结构中的巨铁电极化》(Giant ferroelectric polarization in a bilayer graphene heterostructure) 为题，于2022年10月21日在线发表于《自然·通讯》(Nature Communications)。

近来，基于石墨烯的摩尔超晶格体系涌现出众多奇异物理现象，比如关联绝缘态、超导以及反常量子霍尔效应等，其中基于特定栅极的铁电回滞和异常屏蔽效应吸引了人们的注意。在氮化硼-双层石墨烯-氮化硼构成的异质结中，作为顶栅和底栅的氮化硼与石墨烯的晶格方向一致（即转角为0°），或其中一个栅极转角为30°时，可以观测到铁电现象。但只有扫描某个特定栅极时异质结的电阻表现出回滞，称为特殊栅极；另外一个栅极则没有，为普通栅极。与铁电现象同时出现的是，特殊栅极在特定电压范围内停止诱导电荷的功能，类似于被电磁屏蔽的效果，这种异常屏蔽不存在于常规铁电体系，是理解石墨烯超晶格体系中铁电现象物理机制的关键。为了定量理解这些现象与摩尔平带之间的关系，课题组精准构建并实验测定了异质结中双层石墨烯与上下碳化硼之间的转角，发现界面极化电荷密度可以超过平带所能容纳的电子数量（图1），并通过朗道能级谱的测量证实异常屏蔽现象在平带之外的区域产生；首次测量了铁电弛豫时间，澄清了铁电与异常屏蔽的关系，提出了打开-关闭铁电特性的新方法。此研究为建立新型铁电体家族的物理机制模型提供了关键线索，促进了范德华铁电器件的实际应用。

图1：不同铁电极化态的回滞现象（a）样品的四种不同铁电回滞态，插图为铁电极化定义和取值方式；（b）实验观测到的铁电极化强度（填充圆点）与现有已报道相关界面铁电材料体系对比

此实验结果对石墨烯超晶格铁电物理机制模型的建立具有重要的指导意义。早期实验【Nature 588, 71 (2020)】提出了层间电荷转移理论（Interlayer charge transfer, ICT）。如（图2a）所示，强关联电子半填充摩尔平带时，库伦排斥力将一条平带分为两条Hubbard能带，产生一个关联能隙U；当能隙超过双层石墨烯的禁带宽度Δ时，电子将从较高能量的Hubbard能带转移到能量较低的导带。得益于双层石墨烯的层间极化，即导带和价带电子在实空间中分别处于不同的碳原子层，上述动量空间的电子转移等同于实空间的电荷转移，因此在两层石墨烯之间建立了电荷极化。至关重要的是，此模型预测了电荷极化密度最高能达到摩尔平带容量的二分之一，为证实或证伪此理论提供了一个检测标准。而此次路建明课题组发现电荷极化密度远高于摩尔平带容量，对层间电荷转移模型提出了挑战。另外，层间电荷转移模型中，异常屏蔽现象发生时费米面必须位于摩尔平带之内，但新实验表明费米面远离摩尔能带处依旧可以观测到异常屏蔽效应，再次证实此现象可能与强关联电子平带没有直接关系。

图2：两种铁电机制（a）层间电子转移模型（ICT）；（b）滑移铁电（Sliding ferroelectricity）

另一种常见的界面铁电理论—滑移铁电（见图2b），同样不能很好地解释实验结果。不同于氮化硼或过渡金属硫族化合物等材料，双层石墨烯内部并不存在满足滑移铁电的极性原子对。因此这种由于原子间滑移错位而产生的层间极化只可能存在于（1）石墨烯-氮化硼之间或（2）氮化硼内部层错界面。但前者在电场减少时同步消失，后者的极化强度远远小于观测结果，且两者都不能解释异常屏蔽效应。

此外，研究还首次揭示了新型铁电的弛豫时间受到普通栅极的调控。通过调整栅极电压范围，可以达到铁电回滞的打开和关闭功能，为未来铁电器件提供新的控制手段。同时，研究表明新型铁电与石墨烯的本征物性互不干扰。以谷电流传输为例，铁电回滞态中，谷电流亦表现出完全相同的回滞曲线，为构建铁电开关多种量子特性器件奠定了基础。

北京大学物理学院2016级博士研究生牛锐锐为第一作者，路建明为通讯作者，其他合作者还包括北京大学物理学院人工微结构和介观物理国家重点实验室甘子钊教授和刘开辉教授、中国科学院微电子研究所韩春蕊研究员、华中科技大学吴梦昊教授、北京理工大学洪家旺教授和王学云副教授、中国科学院大学毛金海研究员和山西大学韩拯教授等。该研究工作得到北京自然科学基金、国家重点研发计划和国家自然科学基金等的支持。