Ferroelectricidad no convencional en una heteroestructura de moiré con grafeno bicapa

Por Francisco R. Villatoro, el 24 noviembre, 2020. Categoría(s): Ciencia • Física • Nanotecnología • Nature • Noticias • Physics • Science

Pablo Jarillo-Herrero (MIT, EE.UU.) y su grupo vuelven a sorprendernos. Han observado la emergencia de la ferroelectricidad en una heteroestructura de moiré formada por una bicapa de grafeno (BLG) encapsulada entre dos nanocapas de nitruro de boro (BN) rotadas con cierto ángulo. Parece imposible que un dispositivo de grafeno sea ferroeléctrico, pero los dispositivos de Jarillo-Herrero y sus colegas muestran una curva de histéresis ferroeléctrica de libro. El patrón de moiré inducido por las nanocapas de BN rotadas induce un orden eléctrico de paridad impar que es ferroeléctrico; la explicación teórica aún está por desvelar. Su aplicación más obvia es fabricar nuevos dispositivos de memoria (tipo FRAM) basados en grafeno que serán ultrarrápidos, programables y en la nanoescala.

Una material ferroeléctrico retiene su polarización tras ser expuesto a un campo eléctrico, en analogía con un material ferromagnético que retiene su magnetización tras ser expuesto a un campo magnético; los materiales ferroeléctricos presentan un histéresis eléctrica igual que los ferromagnéticos presentan una histéresis magnética. La aplicación estándar de los materiales ferroeléctricos es el desarrollo de dispositivos de memoria, las llamadas FRAM, por RAM ferroeléctrica. Jarrillo-Herrero y sus colegas proponen que el aplanado de las bandas electrónicas debida al patrón de moiré introduce un salto de banda (bandgap) tan grande dentro de la banda de valencia que la divide en dos, con la subbanda superior incrustada dentro de la banda de conducción; gracias a ello aparece la histéresis que muestra la ferroelectricidad del nuevo material. Por supuesto, esta idea intuitiva deberá ser ratificada por estudios teóricos rigurosos que expliquen en detalle la emergencia de este fenómeno debido a las correlaciones fuertes en la heteroestructura.

El artículo es Zhiren Zheng, Qiong Ma, …, Pablo Jarillo-Herrero, «Unconventional ferroelectricity in moiré heterostructures,» Nature (23 Nov 2020), doi: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2970-9; por cierto, este es el quinto artículo de Jarillo-Herrero (@Jarillo_Herrero) en Nature en el año 2020.

El nuevo dispositivo está formado por una bicapa de grafeno (BLG) de tipo Bernal (o sea, sin rotar, como en el grafito) encapsulada entre dos nanocapas de nitruro de boro (BN) alineadas con el grafeno; debido a la diferencia entre sus constantes de red, aparece un patrón de moiré que acarrea correlaciones electrónicas fuertes. En ausencia de campo eléctrico aplicado (E=0), la celda unidad del BLG está degenerada y aparece una fase de Berry (ilustrada en la figura con un ángulo 2π); al aplicar un campo eléctrico (E) se rompe la degeneración y aparece una capa de polarización en el borde de las bandas de valencia y conducción, ilustrada en la figura de la derecha, con colores azul y rojo para las capas de grafeno de arriba y abajo según el campo sea positivo E>0, o negativo E<0.

Lo sorprendente es que en ciertos dispositivos (a baja temperatura, T = 4 K) el potencial de tipo moiré induce la aparición de ferroelectricidad, es decir, la polarización que aparece tras aplicar un campo eléctrico permanece cuando dicho campo se elimina. Se han estudiado cuatro dispositivos según el ángulo relativo entre las capas de BN de arriba (top) y abajo (bottom), en concreto, 20° en H1, 30° en H2, 20° en H3 y 0° en H4. La ferroelectricidad se observa con una gran curva de histéresis en los dispositivos H2 y H4, mientras que el fenómeno es muy débil en los dispositivos H1 y H3.

La ferroelectricidad en estos dispositivos muestra un fenómeno llamado «apantallamiento anómalo específico de la capa» o LSAS (layer-specific anomalous screening), porque la histéresis cambia cuando el potencial aplicado a cada puerta (la superior o la inferior) supera cierto límite. Debido a este fenómeno, Jarillo-Herrero y sus colegas afirman que la ferroelectricidad en el nuevo dispositivo es no convencional.

Como suele ocurrir con todos los fenómenos emergentes en los dispositivos twistrónicos, aún no se conoce cuál es el mecanismo microscópico responsable de la ferroelectricidad no convencional. Jarillo-Herrero y sus colegas nos proponen un modelo teórico intuitivo basado en la transferencia de carga entre las bandas electrónicas inducida por la interacción no local causada por el patrón de moiré. La figura ilustra la idea. Sin patrón de moiré (izquierda en la figura), la aplicación de un campo eléctrico abre un salto de banda Δ en la estructura de bandas del BLG (valencia en azul y conducción en rojo).

Con patrón de moiré, cuando aparecen correlaciones no locales para ciertos ángulos, la estructura de bandas se aplana con lo que casi se anula la energía cinética y aumenta la repulsión de Coulomb (U) en el modelo de Hubbard; en la banda de valencia aparece un salto de banda propio, es decir, la banda de valencia se divide en dos, una inferior y otra superior. Cuando U>Δ supera cierto umbral (U>Uc), mientras se mantiene el campo eléctrico externo, la banda de valencia aplanada superior ocupa el rango de energía de la banda de conducción, lo que produce una polarización que se comporta en forma de histéresis en función de la dirección del campo externo aplicado. Este modelo tan sencillo explica el fenómeno de LSAS, porque cuando el potencial externo supera cierto límite la banda de valencia aplanada superior se sale de la banda de conducción.

En resumen, el patrón de moiré hace que el BLG no sea un sistema aislado y esté sometido a correlaciones que permiten la transferencia de carga entre sus capas, lo que da lugar a la aparición de una ferroelectricidad no convencional. Faltan muchos estudios tanto experimentales como teóricos para entender la emergencia de este fenómeno. Aún así, podemos soñar con futuras aplicaciones en nanomemorias ultrarrápidas que aprovechen la histéresis como mecanismo de conmutación biestable entre dos estados. Quizás dichas nanomemorias acaben siendo un nicho tecnológico para los dispositivos twistrónicos. Sin lugar a dudas, la carrera de Pablo Jarillo-Herrero va viento en popa hacia un futuro Premio Nobel de Física por la Twistrónica.



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