_ Piezoelectricitate neconvențională în hafnia feroelectrică

Filmele subțiri de oxid de hafniu sunt o clasă fascinantă de materiale cu proprietăți feroelectrice robuste în intervalul nanometric. În timp ce comportamentul feroelectric este studiat pe larg, rezultatele asupra efectelor piezoelectrice au rămas până acum misterioase.

Un nou studiu publicat în revista Nature Communications arată acum că piezoelectricitatea din filmele subțiri feroelectrice Hf0.5Zr0.5O2 poate fi modificate dinamic prin ciclul câmpului electric. Un alt rezultat inovator este o posibilă apariție a unui compus feroelectric nepiezoelectric intrinsec. Aceste caracteristici neconvenționale în hafnia oferă noi opțiuni de utilizare în microelectronică și tehnologia informației.

Din 2011, se știe că anumiți oxizi de hafniu sunt feroelectrici; adică posedă o polarizare electrică spontană a cărei direcție poate fi comutată în cea opusă prin aplicarea unui câmp electric extern. Toți feroelectricii prezintă piezoelectricitate și, cel mai adesea, un coeficient piezoelectric longitudinal pozitiv (d33).

Aceasta înseamnă că cristalul se extinde dacă câmpul electric aplicat este în aceeași direcție cu polarizarea electrică. Cu toate acestea, pentru hafnie, studiile au arătat rezultate contradictorii, cu diferite filme de hafnie extinzându-se sau contractându-se în aceleași condiții experimentale. Mai mult decât atât, polarizarea feroelectrică poate comuta aparent împotriva câmpului electric, care se numește comutare „anomală”.

O colaborare internațională condusă de prof. dr. Catherine Dubourdieu, HZB, a elucidat acum pentru prima dată unele aspecte ale acestor rezultate misterioase și a descoperit un comportament neconvențional în hafnie. Ei au investigat condensatorii Hf0.5Zr0.5O2 (HZO) folosind microscopie cu forță piezo-răspuns (PFM): un ac conductiv scanează suprafața probei sub o tensiune electrică mică și măsoară răspunsul piezoelectric local.

Studiul lor a dezvăluit că piezoelectricitatea în HZO nu este un parametru invariabil, ci este o entitate dinamică care poate fi modificată în același material printr-un stimul extern, cum ar fi ciclul electric.

Condensatorii feroelectrici HZO suferă o inversare completă uniformă a piezoelectricului d33. semnul coeficientului de la pozitiv la negativ la ciclul câmpului electric. Fiecare locație a condensatorului feroelectric suferă o astfel de schimbare, trecând prin piezoelectricitate locală zero la un număr adecvat de cicluri AC.

Calculele teoriei funcționale a densității sugerează că d33 pozitiv în starea inițială se datorează unui metastabil. faza ortorombică polară care evoluează treptat, sub ciclul ca, către faza polară stabilă complet dezvoltată cu d33 negativ.

Calculele DFT nu numai că sugerează un mecanism pentru inversarea semnului d33, ci și prezic un rezultat inovator: a posibilă apariție a unui compus feroelectric nepiezoelectric intrinsec, care se observă experimental.

„Pentru prima dată, am putut observa experimental o inversare de semn a efectului piezoelectric în întreaga zonă a unui condensator. în aceste feroelectrice Hafnia Zirconia sub câmp electric de curent alternativ aplicat”, afirmă Dubourdieu. Această descoperire are un potențial enorm pentru aplicații tehnologice.

„Deoarece piezoelectricitatea din aceste materiale poate fi schimbată dinamic și chiar anulată în timp ce polarizarea rămâne robustă, vedem perspective fantastice pentru dezvoltarea dispozitivelor feroelectrice pe bază de HfO2 cu funcționalități electromecanice. . Mai mult, din punct de vedere fundamental, posibilitatea unui compus feroelectric nepiezoelectric ar revoluționa viziunea noastră despre feroelectricitate”, spune Dubourdieu.

(Fluierul)