Intrinsic ferroelectricity in Y-doped HfO2 thin films

材料科学 铁电性 结晶度 薄膜 正交晶系 凝聚态物理 兴奋剂 电介质 光电子学 极化(电化学) 纳米技术 结晶学 晶体结构 化学 复合材料 物理 物理化学
作者
Yun Yu,Pratyush Buragohain,Ming Li,Zahra Ahmadi,Yizhi Zhang,Xin Li,Haohan Wang,Lingling Tao,Haiyan Wang,Jeffrey E. Shield,Evgeny Y. Tsymbal,Alexei Gruverman,Xiaoshan Xu
出处
期刊:Research Square - Research Square
标识
DOI:10.21203/rs.3.rs-862950/v1
摘要

Abstract Ferroelectric HfO 2 -based materials hold great potential for widespread integration of ferroelectricity into modern electronics due to their robust ferroelectric properties at the nanoscale and compatibility with the existing Si technology. Earlier work indicated that the nanometer crystal grain size was crucial for stabilization of the ferroelectric phase of hafnia. This constraint caused high density of unavoidable structural defects of the HfO 2 -based ferroelectrics, obscuring the intrinsic ferroelectricity inherited from the crystal space group of bulk HfO 2 . Here, we demonstrate the intrinsic ferroelectricity in Y-doped HfO 2 films of high crystallinity. Contrary to the common expectation, we show that in the 5% Y-doped HfO 2 epitaxial thin films, high crystallinity enhances the spontaneous polarization up to a record-high 50 µC/cm 2 value at room temperature. The high spontaneous polarization persists at reduced temperature, with polarization values consistent with our theoretical predictions, indicating the dominant contribution from the intrinsic ferroelectricity. The crystal structure of these films reveals the Pca2 1 orthorhombic phase with a small rhombohedral distortion, underlining the role of the anisotropic stress and strain. These results open a pathway to controlling the intrinsic ferroelectricity in the HfO 2 -based materials and optimizing their performance in applications.
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