Hafnia ferroelektriska komponenter är baserade på deras tekniska löfte och anmärkningsvärda beteenden, där särdragen härrör från en aktiv yttre mekanism som bidrar till deras egenskaper från ett växande antal nya inneboende egenskaper.
På grund av deras okonventionella karaktär förblir grundläggande frågor om materialen öppna. I en ny rapport publicerad i Communications Materials , Hugo Aramberri, Jorge Iniguez och ett team av forskare inom materialforskning, vetenskap och fysik i Luxemburg, använde första principsimuleringar för att visa hur antagandet av en original referensfas med hög symmetri ledde till utvecklingen av en matematiskt enkel och fysiskt transparent behandling av det ferroelektriska tillståndet i Hafnia. Arbetet gav djupare avslöjanden av Hafnia ferroelektrik för att optimera deras egenskaper och framkalla nya egenskaper.
Hafnia ferroelektrik har mycket tekniskt lovande och överraskande egenskaper på grund av deras nanostrukturer och avstämbara piezorespons. Beteendet hos sådana material återstår att förstå; dock påverkar en majoritet av inre och yttre faktorer de observerade egenskaperna. Dessa inkluderar inneboende egenskaper hos perfekta kristaller.
Baserat på simuleringar av de första principerna visade Aramberri och teamet förekomsten av ett ferroelektriskt tillstånd och avslöjade dess egenskaper. Ferroelektriciteten i hafnia visar den ferroelektriska fasen med fyra olika domäner i hafnia-prover.
Under uppvaknande cykling beter sig hafnia som ett ferroelastiskt biaxiellt material som kräver en teori baserad på en tetragonal högsymmetrisk referensstruktur. De "uppvaknade" hafnia- och zirkoniumoxidproven uppvisar en samexistens av faser, inklusive det o-III-ferroelastiska tillståndet, det välkända monokliniska grundtillståndet och andra ortorombiska polymorfer. Sådana polymorfer separeras av gränser med noll bredd.
Hafnias ferroelektricitet
Hafnia uppvisade egenskaper som är typiska för ferroelektrik med stora koercitiva fält, och motståndskraften i den polära ordningen på nanoskala. Forskare hade tidigare noterat en stark dielektrisk anomali där uppvärmning av hafnia resulterade i en ferroelektrisk fasövergång, ungefär som korrekt ferroelektrisk utrustning som bariumtitanat med hög tillåtelse.
Densitetsfunktionella teorisimuleringarna av bariumtitanoxid presenterade kännetecken för ferroelektricitet. Resultaten belyser också möjliga övergångar mellan stabila hafnia-polymorfer och variationer av dess strukturella detaljer.
För att undersöka ferroelektrisk omkoppling och fältdrivna övergångar i hafnia och zirkoniumoxid, konstruerade Aramberri och teamet ett teoretiskt o-referenstillstånd som utgångspunkt för att underlätta referensen av alla relevanta mellanliggande tillstånd.
Under experimenten genomförde teamet studier med hjälp av densitetsfunktionsteori med första principer, de beräknade polariseringen med hjälp av en modern teori om polarisering. För symmetrianalys använde de vanliga webbaserade kristallografiska verktyg och visualiserade de strukturella representationerna av strukturerna med hjälp av röntgendiffraktionsmönster.
Outlook
På detta sätt introducerade Hugo Aramberri, Jorge Iniguez och team ett teoretiskt ramverk för att modellera de funktionella egenskaperna hos den vanligaste ferroelektriska fasen av hafnia och zirkoniumoxid, vilket inkluderade omkoppling, fältdrivna övergångar och elektromekaniska svar.
Teamet förlitade sig på en enaxlig ferroisk ordning som påverkade många sådana prover. Forskarna diskuterade fenomenets inverkan på olika behandlingar, där resultaten gav en enkel men grundlig bild av det relevanta energilandskapet hafnia och zirconia som naturligt kopplade ihop alla lågenergipolymorfer.
Den föreslagna referensen är en idealisk utgångspunkt, från teoretiska och beräkningsstudier till idén om nya experiment och deras optimering.
Mer information: Hugo Aramberri et al, Teoretisk syn på ferroelektricitet i hafnia och relaterade material, Kommunikationsmaterial (2023). DOI:10.1038/s43246-023-00421-z
© 2023 Science X Network
