Creating Ferroelectricity in Monoclinic (HfO2)1/(CeO

铁电性 单斜晶系 物理 量子力学 分子 电介质
作者
Hong Jian Zhao,Yuhao Fu,Longju Yu,Yanchao Wang,Yurong Yang,L. Bellaïche,Yanming Ma
出处
期刊:Physical Review Letters [American Physical Society]
卷期号:132 (25)
标识
DOI:10.1103/physrevlett.132.256801
摘要

Ferroelectricity in CMOS-compatible hafnia (${\mathrm{HfO}}_{2}$) is crucial for the fabrication of high-integration nonvolatile memory devices. However, the capture of ferroelectricity in ${\mathrm{HfO}}_{2}$ requires the stabilization of thermodynamically metastable orthorhombic or rhombohedral phases, which entails the introduction of defects (e.g., dopants and vacancies) and pays the price of crystal imperfections, causing unpleasant wake-up and fatigue effects. Here, we report a theoretical strategy on the realization of robust ferroelectricity in ${\mathrm{HfO}}_{2}$-based ferroelectrics by designing a series of epitaxial $({\mathrm{HfO}}_{2}{)}_{1}/({\mathrm{CeO}}_{2}{)}_{1}$ superlattices. The designed ferroelectric superlattices are defects free, and most importantly, on the base of the thermodynamically stable monoclinic phase of ${\mathrm{HfO}}_{2}$. Consequently, this allows the creation of superior ferroelectric properties with an electric polarization $>25\text{ }\text{ }\mathrm{\ensuremath{\mu}}\mathrm{C}/{\mathrm{cm}}^{2}$ and an ultralow polarization-switching energy barrier at $\ensuremath{\sim}2.5\text{ }\text{ }\mathrm{meV}/\mathrm{atom}$. Our work may open an avenue toward the fabrication of high-performance ${\mathrm{HfO}}_{2}$-based ferroelectric devices.
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