Moiré polar vortex, flat bands, and Lieb lattice in twisted bilayer BaTiO 3

凝聚态物理 双层 偶极子 涡流 堆积 铁电性 材料科学 格子(音乐) 物理 分子物理学 化学 量子力学 核磁共振 生物化学 声学 电介质 热力学
作者
Seungjun Lee,D. J. P. de Sousa,Bharat Jalan,Tony Low
出处
期刊:Science Advances [American Association for the Advancement of Science]
卷期号:10 (47)
标识
DOI:10.1126/sciadv.adq0293
摘要

Through first-principles calculations based on density functional theory, we investigate the crystal and electronic structures of twisted bilayer BaTiO 3 . Our findings reveal that large stacking fault energy leads to a chiral in-plane vortex pattern that was recently observed in experiments. We also found nonzero out-of-plane local dipole moments, indicating that the strong interlayer interaction might offer a promising strategy to stabilize ferroelectric order in the two-dimensional limit. The vortex pattern in the twisted BaTiO 3 bilayer supports localized electronic states with quasi-flat bands, associated with the interlayer hybridization of oxygen p z orbitals. We found that the associated bandwidth reaches a minimum at ∼19 ∘ twisting, configuring the largest magic angle in moiré systems reported so far. Further, the moiré vortex pattern bears a notable resemblance to two interpenetrating Lieb lattices and the corresponding tight-binding model provides a comprehensive description of the evolution the moiré bands with twist angle and reveals the topological nature.
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