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Mapping of the full polarization switching pathways for HfO 2 and its implications

铁电性 极化(电化学) 材料科学 算法 化学 计算机科学 物理化学 电介质 光电子学
作者
Qi Hu,Shuning Lv,Hsiaoyi Tsai,Yufeng Xue,Xixiang Jing,Fanrong Lin,Chuan‐Jia Tong,Tengfei Cao,Gilberto Teobaldi,Limin Liu
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [National Academy of Sciences]
卷期号:122 (7)
标识
DOI:10.1073/pnas.2419685122
摘要

The discovery of ferroelectric phases in HfO 2 offers insights into ferroelectricity. Its unique fluorite structure and complex polarization switching pathways exhibit distinct characteristics, challenging conventional analysis methods. Combining group theory and first-principles calculations, we identify numerous unconventional electric polarization switching pathways in HfO 2 with energy barriers of 0.32 to 0.57 eV as a function of the different shift in the suboxygen lattices. In total, we identify 47 switching pathways for the orthorhombic phase, corresponding to the left cosets of the F m 3 ¯ m group with P c a 2 1 group. Contrary to the conception that the tetracoordinated oxygen (O IV ) layers are inactive, our result demonstrates that both the tricoordinated oxygen (O III ) and O IV can be displaced, leading to polarization switching along any axial direction. The multiple switching pathways in HfO 2 result in both 180° polarization reversal and the formation of 90° domains observed experimentally. Calculations show that specific switching pathways depend on the orientation of the applied electric field relative to the HfO 2 growth surface. This allows HfO 2 to automatically adjust the in-plane polarization direction under an out-of-plane electric field, thereby maximizing the out-of-plane component and contributing to the wake-up process. These findings redefine the roles of O III and O IV layers, clarify unconventional switching pathways, and enhance our understanding of electric field response mechanisms, wake-up, and fatigue in ferroelectrics.
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