Giant Electromechanical Effect in Piezoelectric Nanomembranes Based on Hf0.5Zr0.5O2

压电 材料科学 压电系数 铁电性 光电子学 原子层沉积 压力(语言学) PMUT公司 纳米技术 图层(电子) 工程物理 复合材料 电介质 语言学 哲学 工程类
作者
Elizaveta Guberna,Ilya Margolin,Elizaveta Kalika,Sergei Zarubin,Maksim Zhuk,Anastasia Chouprik
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:16 (1): 975-984 被引量:5
标识
DOI:10.1021/acsami.3c11141
摘要

Since ultrathin ferroelectric HfO2 films can be conformally grown by atomic layer deposition even on complex three-dimensional structures, new horizons in the development of next-generation piezoelectric devices are opened. However, hafnium oxide has a significant drawback for piezoelectric applications: its piezoelectric coefficients are much smaller than those of classical materials currently used in piezoelectric devices. Therefore, new approaches to the development of high-performance piezoelectric devices based on exploiting the unique properties of HfO2 are of paramount importance. In this work, a giant electromechanical effect in miniature piezoelectric membrane devices based on a 10 nm-thick ferroelectric Hf0.5Zr0.5O2 (HZO) film is experimentally demonstrated. Compared to the pure piezoelectric effect in the HZO film, the gain of the electromechanical response in membrane devices reaches 25 times. Numerical simulations confirm that this effect stems from the asymmetric shape of the membranes and can be further improved by designing the device geometry. Furthermore, according to first-principles calculations, an additional opportunity to improve the piezoelectric coefficient, and hence, the device efficiency is provided by the engineering of the mechanical stress in the HZO film. The proposed approach enables the development of new promising piezoelectric devices including miniature reflectors, nanoactuators, and nanoswitches.

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