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Dopants Promoting Ferroelectricity in Hafnia: Insights from a comprehensive Chemical Space Exploration

哈夫尼亚 掺杂剂 铁电性 离子半径 材料科学 电负性 单斜晶系 兴奋剂 相(物质) 结晶学 化学物理 凝聚态物理 矿物学 化学 晶体结构 离子 陶瓷 物理 立方氧化锆 光电子学 冶金 有机化学 电介质
作者
Rohit Batra,Tran Doan Huan,George A. Rossetti,Rampi Ramprasad
出处
期刊:Chemistry of Materials [American Chemical Society]
卷期号:29 (21): 9102-9109 被引量:167
标识
DOI:10.1021/acs.chemmater.7b02835
摘要

Although dopants have been extensively employed to promote ferroelectricity in hafnia films, their role in stabilizing the responsible ferroelectric nonequilibrium Pca21 phase is not well understood. In this work, using first-principles computations, we investigate the influence of nearly 40 dopants on the phase stability in bulk hafnia to identify dopants that can favor formation of the polar Pca21 phase. Although no dopant was found to stabilize this polar phase as the ground state, suggesting that dopants alone cannot induce ferroelectricity in hafnia, Ca, Sr, Ba, La, Y, and Gd were found to significantly lower the energy of the polar phase with respect to the equilibrium monoclinic phase. These results are consistent with the empirical measurements of large remnant polarization in hafnia films doped with these elements. Additionally, clear chemical trends of dopants with larger ionic radii and lower electronegativity favoring the polar Pca21 phase in hafnia were identified. For this polar phase, an additional bond between the dopant cation and the second nearest oxygen neighbor was identified as the root-cause of these trends. Further, trivalent dopants (Y, La, and Gd) were revealed to stabilize the polar Pca21 phase at lower strains when compared to divalent dopants (Sr and Ba). On the basis of these insights, we predict that the lanthanide series metals, the lower half of alkaline earth metals (Ca, Sr, and Ba) and Y as the most suitable dopants to promote ferroelectricity in hafnia.
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