Ukonventionel piezoelektricitet i ferroelektrisk hafnia

Hafniumoxid tynde film er en fascinerende klasse af materialer med robuste ferroelektriske egenskaber i nanometerområdet. Mens den ferroelektriske adfærd er grundigt undersøgt, er resultaterne af piezoelektriske effekter indtil videre forblevet mystiske.

En ny undersøgelse offentliggjort i tidsskriftet Nature Communications viser nu, at piezoelektriciteten i ferroelektrisk Hf_0,5 Zr_0,5 O₂ tynde film kan ændres dynamisk ved elektrisk feltcykling. Et andet banebrydende resultat er en mulig forekomst af en iboende ikke-piezoelektrisk ferroelektrisk forbindelse. Disse utraditionelle funktioner i Hafnia tilbyder nye muligheder for brug i mikroelektronik og informationsteknologi.

Siden 2011 har det været kendt, at visse hafniumoxider er ferroelektriske; det vil sige, de besidder en spontan elektrisk polarisering, hvis retning kan skiftes i den modsatte retning ved at påføre et eksternt elektrisk felt. Alt ferroelektrisk udstyr udviser piezoelektricitet og oftest en positiv langsgående piezoelektrisk koefficient (d₃₃ ).

Det betyder, at krystallen udvider sig, hvis det påførte elektriske felt er i samme retning som den elektriske polarisering. For hafnia har undersøgelser imidlertid vist modstridende resultater, hvor forskellige hafnia-film udvider sig eller trækker sig sammen under de samme eksperimentelle forhold. Desuden kan den ferroelektriske polarisering tilsyneladende skifte mod det elektriske felt, som kaldes "unormal" omskiftning.

Ukonventionel adfærd undersøgt

Et internationalt samarbejde ledet af Prof. Dr. Catherine Dubourdieu, HZB, har nu for første gang belyst nogle aspekter af disse mystiske resultater og opdaget en ukonventionel adfærd i Hafnia. De undersøgte Hf_0,5 Zr_0,5 O₂ (HZO) kondensatorer ved hjælp af piezorespons kraftmikroskopi (PFM):en ledende nål scanner prøveoverfladen under en lille elektrisk spænding og måler den lokale piezoelektriske respons.

Deres undersøgelse afslørede, at piezoelektricitet i HZO ikke er en ufravigelig parameter, men er en dynamisk enhed, der kan ændres i det selvsamme materiale af en ekstern stimulus såsom elektrisk cykling.

De ferroelektriske HZO-kondensatorer gennemgår en fuldstændig ensartet inversion af den piezoelektriske d₃₃ koefficienttegn fra positiv til negativ ved elektrisk feltcykling. Hver enkelt placering af den ferroelektriske kondensator gennemgår en sådan ændring, idet den passerer gennem nul lokal piezoelektricitet efter et passende antal AC-cyklusser.

Ny mulighed:Ferroelektriske materialer uden piezoelektricitet

Tæthedsfunktionsteoretiske beregninger tyder på, at den positive d₃₃ i starttilstanden skyldes en metastabil polær ortorombisk fase, der gradvist udvikler sig, under vekselstrøm, mod den fuldt udviklede stabile polære fase med negativ d₃₃ .

DFT-beregningerne foreslår ikke kun en mekanisme for d₃₃ tegninversion, men forudsiger også et banebrydende resultat:en mulig forekomst af en iboende ikke-piezoelektrisk ferroelektrisk forbindelse, som observeres eksperimentelt.

"For første gang har vi været i stand til eksperimentelt at observere en tegninversion af den piezoelektriske effekt i hele området af en kondensator i disse Hafnia Zirconia ferroelektriske komponenter under påført vekselstrømsfelt," siger Dubourdieu. Denne opdagelse har et enormt potentiale for teknologiske anvendelser.

"Da piezoelektriciteten i disse materialer dynamisk kan ændres og endda annulleres, mens polariseringen forbliver robust, ser vi fantastiske udsigter til at udvikle ferroelektrisk HfO₂ -baserede enheder med elektromekaniske funktionaliteter. Desuden, fra et grundlæggende synspunkt, ville muligheden for en ikke-piezoelektrisk ferroelektrisk forbindelse revolutionere vores vision om ferroelektricitet," siger Dubourdieu.

Flere oplysninger: Haidong Lu et al., Elektrisk induceret annullering og inversion af piezoelektricitet i ferroelektrisk Hf_0,5 Zr_0,5 O₂ , Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-44690-9

Leveret af Helmholtz Association of German Research Centres