铁电二氧化铪中的非常规压电性

发布时间：2024-03-05 16:48:19 栏目：精选知识

导读 氧化铪薄膜是一类令人着迷的材料，在纳米范围内具有强大的铁电特性。虽然铁电行为得到了广泛的研究，但压电效应的结果迄今为止仍然是个谜。...

氧化铪薄膜是一类令人着迷的材料，在纳米范围内具有强大的铁电特性。虽然铁电行为得到了广泛的研究，但压电效应的结果迄今为止仍然是个谜。一项新的研究表明，铁电 Hf 0.5 Zr 0.5 O 2薄膜的压电性可以通过电场循环动态改变。另一个突破性的结果是可能出现本征非压电铁电化合物。氧化铪的这些非常规特征为微电子和信息技术的使用提供了新的选择。



自 2011 年以来，人们知道某些铪氧化物具有铁电性，也就是说，它们具有自发电极化，其方向可以通过施加外部电场切换到相反的方向。所有铁电体都表现出压电性，并且最常见的是正纵向压电系数(d 33)。这意味着如果所施加的电场与电极化方向相同，晶体就会膨胀。然而，对于氧化铪，研究显示出矛盾的结果，不同的氧化铪薄膜在相同的实验条件下会膨胀或收缩。此外，铁电极化明显可以逆着电场进行切换，这被称为“反常”切换。

调查非常规行为

由 HZB 的 Catherine Dubourdieu 教授领导的一项国际合作现在首次阐明了这些神秘结果的某些方面，并发现了哈夫尼亚的非常规行为。他们使用压电响应力显微镜 (PFM) 研究了 Hf 0.5 Zr 0.5 O 2 (HZO) 电容器：导电针在小电压下扫描样品表面并测量局部压电响应。

开关压电

他们的研究表明，HZO 中的压电性不是一个不变的参数，而是一个动态实体，在同一材料中，可以通过外部刺激(例如电循环)来改变。铁电 HZO 电容器在电场循环时经历压电 d 33系数符号从正到负的完全均匀反转。铁电电容器的每个位置都会在适当数量的交流周期内经历这种通过零局部压电的变化。

新选择：无压电性的铁电材料

密度泛函理论计算表明，初始状态下的正d 33是​​由于亚稳态极性斜方相，在交流循环下逐渐演化为具有负d 33的完全发展的稳定极性相。DFT 计算不仅提出了 d 33符号反转的机制，而且还预测了一个突破性的结果：可能出现通过实验观察到的本征非压电铁电化合物。

新应用

Catherine Dubourdieu 表示：“我们首次能够通过实验观察到在施加交流电场下这些氧化锆铁电体电容器的整个区域中压电效应的符号反转。”这一发现具有巨大的技术潜力。 “由于这些材料中的压电性可以动态改变，甚至在极化保持强劲的情况下消失，我们看到了开发具有机电功能的铁电 HfO 2基器件的巨大前景。此外，从基本角度来看，非-压电铁电化合物将彻底改变我们对铁电的看法。” 凯瑟琳·杜布尔迪厄说道。