Insights into the origin of robust ferroelectricity in HfO2 -based thin films from the order-disorder transition driven by vacancies

铁电性 结晶学 订单(交换) 物理 偶极子 材料科学 凝聚态物理 电介质 化学 量子力学 财务 经济
作者
Chenxi Yu,Haili Ma,Mingqiang Li,Fei Liu,Xiangxiang Ding,Yudi Zhao,Haolin Li,Xujin Song,Fachen Liu,Wanwang Yang,Jun Xu,Jingmin Zhang,Xiaorui Hao,Lifeng Liu,Peng Huang,Peng Gao,Jinfeng Kang
出处
期刊:Physical review applied [American Physical Society]
卷期号:22 (2)
标识
DOI:10.1103/physrevapplied.22.024028
摘要

${\mathrm{Hf}\mathrm{O}}_{2}$-based ferroelectrics ($\mathrm{FE}\text{\ensuremath{-}}{\mathrm{Hf}\mathrm{O}}_{2}$) have triggered extensive research interest because they are promising materials for beyond-Moore electronic device applications. However, the origin of ferroelectricity in ${\mathrm{Hf}\mathrm{O}}_{2}$-based ferroelectrics remains elusive. Here, we demonstrate that the ordered oxygen vacancies (${\mathrm{V}}_{\mathrm{O}}$) in $\mathrm{FE}$-${\mathrm{Hf}\mathrm{O}}_{2}$ thin films contribute to ferroelectricity through the formation of a stable-polar phase. In $\mathrm{FE}$-${\mathrm{Hf}\mathrm{O}}_{2}$ thin films, oxygen vacancy (${\mathrm{V}}_{\mathrm{O}}$) defects induce local electric dipoles and the ordered ${\mathrm{V}}_{\mathrm{O}}$ distribution results in the stable-polar phases. Using first-principles calculations, a thermodynamically stable-polar phase ${M}_{1}$ with the spontaneous polarization of 27 \textmu{}C/${\mathrm{cm}}^{2}$ is predicted in monocliniclike ${\mathrm{Hf}}_{4}{\mathrm{Zr}}_{4}{\mathrm{O}}_{15}$ structures. Moreover, the predicted ${M}_{1}$ structures are directly visualized in ${\mathrm{Hf}}_{0.5}{\mathrm{Zr}}_{0.5}{\mathrm{O}}_{2\ensuremath{-}\ensuremath{\delta}}$ (HZO) ferroelectric thin films using spherical aberration (Cs)-corrected scanning transmission electron microscopy. The proposed mechanism for ${\mathrm{V}}_{\mathrm{O}}$-induced order-disorder ferroelectricity in $\mathrm{FE}$-${\mathrm{Hf}\mathrm{O}}_{2}$ opens a new pathway to explore the underlying physics of the ferroelectric characteristics in $\mathrm{FE}$-${\mathrm{Hf}\mathrm{O}}_{2}$.
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