Origin of Interstitial Doping Induced Coercive Field Reduction in Ferroelectric Hafnia

哈夫尼亚 矫顽力 铁电性 兴奋剂 还原(数学) 材料科学 领域(数学) 凝聚态物理 光电子学 物理 复合材料 数学 几何学 电介质 立方氧化锆 陶瓷 纯数学
作者
Tianyuan Zhu,Liyang Ma,Xu Duan,Shi Liu
出处
期刊:Cornell University - arXiv [Cornell University]
标识
DOI:10.48550/arxiv.2407.02808
摘要

Hafnia-based ferroelectrics hold promise for nonvolatile ferroelectric memory devices. However, the high coercive field required for polarization switching remains a prime obstacle to their practical applications. A notable reduction in coercive field has been achieved in ferroelectric Hf(Zr)$_{1+x}$O$_2$ films with interstitial Hf(Zr) dopants [Science 381, 558 (2023)], suggesting a less-explored strategy for coercive field optimization. Supported by density functional theory calculations, we demonstrate the $Pca2_1$ phase, with a moderate concentration of interstitial Hf dopants, serves as a minimal model to explain the experimental observations, rather than the originally assumed rhombohedral phase. Large-scale deep potential molecular dynamics simulations suggest that interstitial defects promote the polarization reversal by facilitating $Pbcn$-like mobile 180$^\circ$ domain walls. A simple pre-poling treatment could reduce the switching field to less than 1 MV/cm and enable switching on a subnanosecond timescale. High-throughput calculations reveal a negative correlation between the switching barrier and dopant size and identify a few promising interstitial dopants for coercive field reduction.
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