Videnskab
 Science >> Videnskab >  >> nanoteknologi

En teoretisk tilgang til ferroelektricitet i hafnia-relaterede materialer

Ferroelektriske domæner forventes i Hafnia. a) viser den tetragonale (t) fase af hafnia (midten) og de fire ortorhombiske ferroelektriske (o-III) varianter, den fører til. b) viser den orthorhombiske centrosymmetriske fase (o-ref), vi foreslår som reference (center) og de to o-III domæner, den fører til. Hafnium-atomer er vist med blåt. De aktive oxygener, der er ansvarlige for udviklingen af ​​den spontane polarisering, er vist med rødt; de andre oxygener er vist med orange. Sorte pile indikerer spontan polarisering, som går imod forskydningen af ​​de aktive oxygener fra referencestrukturen. Den beregnede polarisation i forhold til t-fasen for strukturen markeret med en stjerne i (a) er +0,54 C m −2 ; derimod er polarisationen i forhold til o-ref-fasen af ​​strukturen markeret med en stjerne i (b) −0,68 C m −2 , mens den markeret med en dolk præsenterer +0,68 C m −2 . Kredit:Kommunikationsmateriale , doi:10.1038/s43246-023-00421-z

Hafnia ferroelektrik er baseret på deres tekniske løfte og bemærkelsesværdige adfærd, hvor særegenhederne stammer fra en aktiv ydre mekanisme, der bidrager til deres egenskaber fra et voksende antal nye iboende funktioner.



Grundet deres utraditionelle karakter forbliver grundlæggende spørgsmål om materialerne åbne. I en ny rapport offentliggjort i Communications Materials , Hugo Aramberri, Jorge Iniguez og et team af forskere inden for materialeforskning, videnskab og fysik i Luxembourg, brugte første principsimuleringer til at vise, hvordan vedtagelse af en original referencefase med høj symmetri førte til udviklingen af ​​en matematisk enkel og fysisk gennemsigtig behandling af den ferroelektriske tilstand Hafnia. Arbejdet gav dybere afsløringer af Hafnia ferroelektriske materialer for at optimere deres egenskaber og fremkalde nye egenskaber.

Ferroelektrik og årsager til en alternativ tilgang til hafnia

Hafnia ferroelektrik har meget teknisk løfte og overraskende egenskaber på grund af deres nanostrukturer og afstembare piezorespons. Sådanne materialers opførsel mangler at blive forstået; dog påvirker et flertal af indre og ydre faktorer de observerede egenskaber. Disse omfatter iboende træk ved perfekte krystaller.

Baseret på simuleringer af de første principper viste Aramberri og holdet eksistensen af ​​en ferroelektrisk tilstand og afslørede dens egenskaber. Ferroelektriciteten i hafnia viser den ferroelektriske fase med fire forskellige domæner i hafnia-prøver.

Under wake-up cycling opfører hafnia sig som et ferroelastisk biaksialt materiale, der kræver en teori baseret på en tetragonal højsymmetrisk referencestruktur. De "opvågnede" hafnia- og zirconiumoxidprøver præsenterer en sameksistens af faser, herunder den ferroelastiske o-III-tilstand, den velkendte monokliniske grundtilstand og andre ortorhombiske polymorfer. Sådanne polymorfer er adskilt af grænser på nul bredde.

Energilandskabsforbindelsesnøgle HfO2 polymorfer. De sorte linjer viser den beregnede energivariation mellem t- og o-III-faserne (a), o-III og o-ref (b), og o-ref og m (c). Energierne beregnes for mellemstrukturer opnået ved lineær interpolation mellem de tilsvarende endepunktspolymorfer. Den røde linje i (b) viser energivariationen af ​​o-ref-tilstanden ved kondensering af de forvrængninger, der er til stede i o-III-fasen; den røde linje i (c) viser det analoge resultat, når man kun betragter de fononforvrængninger, der er til stede i m-fasen. Den blå linje i (c) viser resultatet af at kondensere fonon- og forskydningsforvrængningerne i m-fasen sammen, mens den grønne linje viser energivariationen forbundet med forskydningen alene. I (b) og (c) er de yderligere forvrængninger, der fører til den sorte linje, fuldt symmetriske tilstande, inklusive de normale cellestammer. Kredit: Kommunikationsmateriale , doi:10.1038/s43246-023-00421-z

Arten af ​​ferroelektricitet i Hafnia

Hafnia udviste egenskaber, der er typiske for ferroelektrik med store tvangsfelter og modstandsdygtighed i den polære orden på nanoskala. Forskere havde tidligere bemærket en stærk dielektrisk anomali, hvor opvarmning af hafnia resulterede i en ferroelektrisk faseovergang, meget ligesom korrekt ferroelektrisk såsom bariumtitanat med høj permissivitet.

Densitet funktionelle teori simuleringer af barium titanium oxid præsenterede kendetegn ved ferroelektricitet. Resultaterne kaster også lys over de mulige overgange mellem stabile hafnia-polymorfer og variationer af dens strukturelle detaljer.

For at undersøge ferroelektrisk switching og feltdrevne overgange i hafnia og zirconia konstruerede Aramberri og teamet en teoretisk o-referencetilstand som udgangspunkt for at lette referencen af ​​alle relevante mellemtilstande.

Under eksperimenterne udførte holdet undersøgelser ved hjælp af densitetsfunktionsteori med første principper, de beregnede polariseringen ved hjælp af en moderne teori om polarisering. Til symmetrianalyse brugte de standard webbaserede krystallografiske værktøjer og visualiserede de strukturelle repræsentationer af strukturerne ved hjælp af røntgendiffraktionsmønstre.

Fononbånd i o-ref-fasen. a viser de beregnede bånd og præsenterer imaginære frekvenser som negative værdier. De vigtigste ustabile tilstande er markeret i (a). Vi viser også de tilsvarende egenmoder og de polymorfer, de fører til:den bløde tilstand (b) og den tilsvarende o-III fase (c); den bløde tilstand (d) og den tilsvarende o-I fase (e); den bløde tilstand (f) og den tilhørende m-fase (g); og den bløde tilstand (h) og den tilsvarende o-I* fase (i). Vi markerer med rødt de aktive oxygener, hvis forskydninger karakteriserer disse fononer. For polymorferne angiver vi energien med hensyn til o-ref. Kredit:Kommunikationsmateriale , doi:10.1038/s43246-023-00421-z

Outlook

På denne måde introducerede Hugo Aramberri, Jorge Iniguez og team en teoretisk ramme til at modellere de funktionelle egenskaber af den mest almindelige ferroelektriske fase af hafnia og zirconia, som omfattede omskiftning, feltdrevne overgange og elektromekaniske reaktioner.

Holdet stolede på en enakset ferroisk orden, der påvirkede mange sådanne prøver. Forskerne diskuterede fænomenets indvirkning på forskellige behandlinger, hvor resultaterne gav et enkelt, men grundigt billede af det relevante energilandskab hafnia og zirconia, der naturligt forbandt alle lavenergipolymorfer.

Den foreslåede reference er et ideelt udgangspunkt, fra teoretiske og beregningsmæssige undersøgelser til idéen om nye eksperimenter og deres optimering.

Flere oplysninger: Hugo Aramberri et al., Teoretisk tilgang til ferroelektricitet i Hafnia og relaterede materialer, Kommunikationsmaterialer (2023). DOI:10.1038/s43246-023-00421-z

© 2023 Science X Network




Sidste artikel

Næste artikel

Varme artikler
Sprog: French | Italian | Spanish | Portuguese | Swedish | German | Dutch | Danish | Norway |

Videnskab © https://da.scienceaq.com