Hafniumoxid tunna filmer är en fascinerande klass av material med robusta ferroelektriska egenskaper inom nanometerområdet. Även om det ferroelektriska beteendet studeras omfattande, har resultaten av piezoelektriska effekter hittills förblivit mystiska.
En ny studie publicerad i tidskriften Nature Communications visar nu att piezoelektriciteten i ferroelektrisk Hf0,5 Zr0,5 O2 tunna filmer kan förändras dynamiskt genom elektrisk fältcykling. Ett annat banbrytande resultat är en möjlig förekomst av en inneboende icke-piezoelektrisk ferroelektrisk förening. Dessa okonventionella funktioner i Hafnia erbjuder nya alternativ för användning inom mikroelektronik och informationsteknologi.
Sedan 2011 har det varit känt att vissa hafniumoxider är ferroelektriska; det vill säga de besitter en spontan elektrisk polarisation vars riktning kan växlas i motsatt riktning genom att applicera ett externt elektriskt fält. All ferroelektrisk utrustning uppvisar piezoelektricitet och, oftast, en positiv longitudinell piezoelektrisk koefficient (d33 ).
Detta innebär att kristallen expanderar om det pålagda elektriska fältet är i samma riktning som den elektriska polarisationen. Men för hafnia har studier visat motsägelsefulla resultat, med olika hafnia-filmer som expanderar eller drar ihop sig under samma experimentella förhållanden. Dessutom kan den ferroelektriska polarisationen tydligen växla mot det elektriska fältet, vilket kallas "anomal" omkoppling.
Ett internationellt samarbete ledd av Prof. Dr. Catherine Dubourdieu, HZB, har nu för första gången klarlagt några aspekter av dessa mystiska resultat och upptäckt ett okonventionellt beteende i Hafnia. De undersökte Hf0,5 Zr0,5 O2 (HZO) kondensatorer som använder piezoresponskraftmikroskopi (PFM):en ledande nål skannar provets yta under en liten elektrisk spänning och mäter den lokala piezoelektriska responsen.
Deras studie avslöjade att piezoelektricitet i HZO inte är en oföränderlig parameter utan är en dynamisk enhet som kan förändras i samma material genom en extern stimulans såsom elektrisk cykling.
De ferroelektriska HZO-kondensatorerna genomgår en fullständig enhetlig inversion av den piezoelektriska d33 koefficienttecken från positivt till negativt vid elektrisk fältcykling. Varje enskild plats för den ferroelektriska kondensatorn genomgår en sådan förändring och passerar genom noll lokal piezoelektricitet efter ett lämpligt antal AC-cykler.
Densitetsfunktionella teoriberäkningar tyder på att den positiva d33 i initialtillståndet beror på en metastabil polär ortorombisk fas som gradvis utvecklas, under växelströmscykling, mot den fullt utvecklade stabila polära fasen med negativ d33 .
DFT-beräkningarna föreslår inte bara en mekanism för d33 teckeninversion men också förutsäga ett banbrytande resultat:en möjlig förekomst av en inneboende icke-piezoelektrisk ferroelektrisk förening, som observeras experimentellt.
"För första gången har vi experimentellt kunnat observera en teckeninversion av den piezoelektriska effekten i hela området för en kondensator i dessa Hafnia Zirconia ferroelektriska komponenter under pålagt växelströms elektriskt fält," säger Dubourdieu. Denna upptäckt har en enorm potential för tekniska tillämpningar.
"Eftersom piezoelektriciteten i dessa material dynamiskt kan förändras och till och med upphävas medan polariseringen förblir robust, ser vi fantastiska möjligheter att utveckla ferroelektrisk HfO2 -baserade enheter med elektromekaniska funktioner. Dessutom, ur en grundläggande synvinkel, skulle möjligheten till en icke-piezoelektrisk ferroelektrisk förening revolutionera vår vision om ferroelektricitet, säger Dubourdieu.
Mer information: Haidong Lu et al, Elektriskt inducerad avstängning och inversion av piezoelektricitet i ferroelektrisk Hf0,5 Zr0,5 O2 , Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-44690-9
Tillhandahålls av Helmholtz Association of German Research Centers
