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Phase transition kinetics and sublayer optimization of HfO2/ZrO2 superlattice ferroelectric thin films

超晶格 铁电性 材料科学 薄膜 动力学 相变 凝聚态物理 化学物理 化学工程 光电子学 电介质 纳米技术 化学 物理 量子力学 工程类
作者
Yufan Wang,Chuqian Zhu,Huajun Sun,Wenlin Wang,Lanqing Zou,Yunhui Yi,Jiyang Xu,Jiawang Ren,Sheng Hu,Lei Ye,Weiming Cheng,Qiang He,Xiangshui Miao
出处
期刊:Applied Physics Letters [American Institute of Physics]
卷期号:125 (8)
标识
DOI:10.1063/5.0221607
摘要

The sublayer thickness of superlattices, as a key factor affecting lattice integrity, interface defects, and strain, deserves in-depth studies about its impact on improving ferroelectric properties. This study described and analyzed the performance of HfO2/ZrO2 superlattices with various sublayer thicknesses. It can be concluded that the structure of the thicker layers will guide the trend of the phase composition of the entire device: when ZrO2 layers are thicker, the superlattices will exhibit antiferroelectricity due to the higher content of the tetragonal phase (t-phase); when HfO2 layers become thicker, the fraction of the monoclinic phase (m-phase) will increase, leading to a decrease in ferroelectricity and an increase in leakage current. In this way, the device with a 1:1 HfO2/ZrO2 thickness ratio was optimized to have the largest remanent polarization and the lowest leakage current. Maintaining the same thickness ratio of the HfO2/ZrO2 superlattices, it was found that HfO2/ZrO2 superlattices with thinner sublayers exhibited a larger remanent polarization (Pr) value due to increased interlayer distortion. On the contrary, the thicker sublayers reduced leakage current, which was beneficial for improving the device lifespan.
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