Uno de los métodos más utilizados para controlar las propiedades de los materiales bidimensionales (2D) es su combinación apilándolos en las conocidas como heteroestructuras de van der Waals (vdW) [1]. Cuando se aproximan dos cristales 2D, su interacción origina la reconstrucción de su estructura cristalina y su espectro electrónico. Esta reconstrucción depende en gran medida del ángulo de giro entre los cristales, produciendo superredes con diferentes patrones de moiré. El ajuste de este ángulo es una de las vías más prometedoras para la observación y control de efectos y propiedades muy interesantes de las heteroestructuras de vdW, incluida la superconductividad en el grafeno bicapa girado con ángulo mágico [2].
Un material que ha sido fundamental en el desarrollo y fabricación de heteroestructuras de vdW de alta calidad es el nitruro de boro hexagonal (hBN) [3], un aislante con gap grande y enlaces covalentes polares entre el boro y el nitrógeno. Además de ser hoy en día un material casi omnipresente en cualquier dispositivo de materiales 2D, su combinación de múltiples propiedades lo hacen muy atractivo para una gran variedad de aplicaciones [4]. Muy recientemente se ha observado una polarización de carga de tipo ferroeléctrico en superredes de bicapa de grafeno/hBN [5]. Sin embargo, la posibilidad de generar una polarización de carga espontánea con la superred de moiré de dos cristales de hBN girados -sin grafeno- no se había explorado experimentalmente.
En este trabajo demostramos que los cristales de hBN colocados con un ángulo de giro intencionadamente pequeño crean una superred de dominios macroscópicos de tipo ferroeléctrico confinados en la interfaz [6]. Esto ocurre debido a que deformaciones elásticas interfaciales dan lugar a dipolos fuera del plano formados por pares de átomos de boro (B) y nitrógeno (N) pertenecientes a superficies interfaciales opuestas, lo cual origina una bicapa ferroeléctrica con dipolos de polaridad opuesta (BN y NB) en dominios adyacentes, estable a temperatura ambiente, que observamos mediante microscopía de fuerzas electrostáticas (EFM y KPFM). Estos resultados experimentales quedan fuertemente respaldados por nuestros cálculos de la reconstrucción atómica y la densidad de carga en la capa interfacial. Observamos que en las mismas condiciones puede haber dos alineaciones cristalinas dominantes (con ángulos de 0° y 180°, denominadas paralela y antiparalela). En nuestro trabajo demostramos que experimentan reconstrucciones diferentes y que sólo la alineación paralela da lugar a los dominios de tipo ferroeléctrico, donde los átomos de B y N alineados en las capas de la interfaz crean un campo dipolar que invierte su signo en los dominios vecinos.
Los hallazgos realizados en este trabajo abren nuevas posibilidades para la modificación de las propiedades intrínsecas de los materiales, el diseño de nuevas heteroestructuras de vdW para ampliar significativamente sus capacidades, y ofrecen una forma alternativa para estudiar los potenciales electrostáticos generados por superredes de moiré.
[1] A. K. Geim and I. V. Grigorieva, Van der Waals heterostructures, Nature 499, 419-425 (2013). [2] Y. Cao, V. Fatemi, S. Fang, K. Watanabe, T. Taniguchi, E. Kaxiras, and P. Jarillo-Herrero, Unconventional superconductivity in magic-angle graphene superlattices, Nature 556, 43-50 (2018). [3] C. R. Dean et al., Boron nitride substrates for high-quality graphene electronics, Nat. Nanotechnol. 5, 722-726 (2010). [4] L. H. Li and Y. Chen, Atomically Thin Boron Nitride: Unique Properties and Applications, Adv. Funct. Mater. 26, 2594-2608 (2016). [5] Z. Zheng et al., Unconventional ferroelectricity in moiré heterostructures, Nature 588, 71-76 (2020).
[6] Artículo destacado: C. R. Woods, P. Ares, H. Nevison-Andrews, M. J. Holwill, R. Fabregas, F. Guinea, A. K. Geim, K. S. Novoselov, N. R. Walet, L. Fumagalli, Charge-Polarized Interfacial Superlattices in Marginally Twisted Hexagonal Boron Nitride, Nat. Commmun. 12, 347 (2021).