Insights into the ferroelectric orthorhombic phase formation in doped HfO2 thin films

铁电性 正交晶系 材料科学 兴奋剂 薄膜 相(物质) 凝聚态物理 纳米技术 结晶学 光电子学 化学 电介质 晶体结构 物理 有机化学
作者
Yichen Wen,Maokun Wu,Boyao Cui,Xuepei Wang,Yishan Wu,Yu-Chun Li,Shuwei Ye,Pengpeng Ren,Hong-Liang Lü,Li Wang,Zhigang Ji,Ru Huang
出处
期刊:Journal of Applied Physics [American Institute of Physics]
卷期号:136 (12)
标识
DOI:10.1063/5.0226390
摘要

Despite the extensive research on HfO2-based thin films, the ferroelectric orthorhombic phase formation remains unclear. This work proposes a physical picture throughout the entire annealing process to describe the phase transition. Subsequently, the phase evolution at various doping and annealing temperatures is illustrated based on a kinetic model formalized from the classical nucleation theory. It is found that the formation of the ferroelectric orthorhombic phase depends not only on a modest doping concentration but also on the thermal activation of the t-to-o phase transition provided by a sufficient annealing temperature. In addition, phase transition rates correlated to the monoclinic phase formation are effectively suppressed by doping. The exploration of combined effects of annealing parameters indicates a more decisive role of the annealing temperature rather than the keeping time for induced ferroelectricity, and the doping impact becomes significant when a critical annealing temperature is reached. This work provides an understanding for exploring the kinetic effect on the phase transition in HfO2-based thin films, which helps improve ferroelectricity in doped HfO2 ferroelectric films.
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