Direct Imaging of Asymmetric Interfaces and Electrostatic Potentials inside a Hafnia–Zirconia Ferroelectric Nanocapacitor

哈夫尼亚 材料科学 铁电性 立方氧化锆 纳米技术 静电学 光电子学 复合材料 电介质 物理化学 陶瓷 化学
作者
Daniel B. Durham,Manifa Noor,Khandker Akif Aabrar,Yuzi Liu,Suman Datta,Kyeongjae Cho,Supratik Guha,Charudatta Phatak
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acsami.4c14281
摘要

In hafnia-based thin-film ferroelectric devices, chemical phenomena during growth and processing, such as oxygen vacancy formation and interfacial reactions, appear to strongly affect device performance. However, the correlation between the structure, chemistry, and electrical potentials at the nanoscale in these devices is not fully known, making it difficult to understand their influence on device properties. Here, we directly image the composition and electrostatic potential with nanometer resolution in the cross section of a nanocrystalline W/Hf0.5Zr0.5O2−δ (HZO)/W ferroelectric capacitor using multimodal electron microscopy. This reveals a 1.4 nm wide tungsten suboxide interfacial layer formed at the bottom interface during fabrication, which introduces a potential dip and leads to asymmetric switching fields. Additionally, we compare the measured potentials to DFT calculations and find it is nearly 3 V lower than expected in the HZO, which appears to be caused by oxygen vacancies and a resulting negative built-in potential. These chemical and electrostatic details are important to characterize and tune to achieve high-performance ferroelectric devices.
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