I film sottili di ossido di afnio sono un'affascinante classe di materiali con robuste proprietà ferroelettriche nella gamma dei nanometri. Mentre il comportamento ferroelettrico è ampiamente studiato, i risultati sugli effetti piezoelettrici sono rimasti finora misteriosi.
Un nuovo studio pubblicato sulla rivista Nature Communications ora mostra che la piezoelettricità nel ferroelettrico Hf0,5 Zr0,5 O2 i film sottili possono essere modificati dinamicamente mediante il ciclo del campo elettrico. Un altro risultato innovativo è la possibile presenza di un composto ferroelettrico intrinseco non piezoelettrico. Queste caratteristiche non convenzionali di Hafnia offrono nuove opzioni per l'utilizzo nella microelettronica e nella tecnologia dell'informazione.
Dal 2011 è noto che alcuni ossidi di afnio sono ferroelettrici; possiedono cioè una polarizzazione elettrica spontanea la cui direzione può essere invertita applicando un campo elettrico esterno. Tutti i ferroelettrici mostrano piezoelettricità e, molto spesso, un coefficiente piezoelettrico longitudinale positivo (d33 ).
Ciò significa che il cristallo si espande se il campo elettrico applicato è nella stessa direzione della polarizzazione elettrica. Tuttavia, per l'afnia, gli studi hanno mostrato risultati contraddittori, con diversi film di afnia che si espandono o si contraggono nelle stesse condizioni sperimentali. Inoltre, la polarizzazione ferroelettrica può apparentemente commutare contro il campo elettrico, fenomeno chiamato commutazione "anomala".
Una collaborazione internazionale guidata dalla Prof. Dott.ssa Catherine Dubourdieu, HZB, ha ora chiarito per la prima volta alcuni aspetti di questi misteriosi risultati e scoperto un comportamento non convenzionale nell'afnia. Hanno studiato Hf0,5 Zr0,5 O2 (HZO) che utilizzano la microscopia a forza di risposta piezoelettrica (PFM):un ago conduttivo scansiona la superficie del campione sotto una piccola tensione elettrica e misura la risposta piezoelettrica locale.
Il loro studio ha rivelato che la piezoelettricità nell'HZO non è un parametro invariabile ma è un'entità dinamica che può essere modificata nello stesso materiale da uno stimolo esterno come il ciclo elettrico.
I condensatori ferroelettrici HZO subiscono un'inversione completa e uniforme del piezoelettrico d33 segno del coefficiente da positivo a negativo in seguito al ciclo del campo elettrico. Ogni singola posizione del condensatore ferroelettrico subisce tale cambiamento, passando attraverso la piezoelettricità locale pari a zero dopo un numero adeguato di cicli CA.
I calcoli della teoria del funzionale della densità suggeriscono che il positivo d33 nello stato iniziale è dovuto ad una fase ortorombica polare metastabile che evolve gradualmente, sotto ciclo ac, verso la fase polare stabile completamente sviluppata con d33 negativo .
I calcoli DFT non solo suggeriscono un meccanismo per d33 inversione di segno ma prevedono anche un risultato rivoluzionario:una possibile presenza di un composto ferroelettrico non piezoelettrico intrinseco, che viene osservato sperimentalmente.
"Per la prima volta, siamo stati in grado di osservare sperimentalmente un'inversione di segno dell'effetto piezoelettrico nell'intera area di un condensatore in questi ferroelettrici Hafnia Zirconia sotto campo elettrico alternato applicato", afferma Dubourdieu. Questa scoperta ha un enorme potenziale per le applicazioni tecnologiche.
"Poiché la piezoelettricità in questi materiali può essere modificata dinamicamente e persino annullata mentre la polarizzazione rimane solida, vediamo fantastiche prospettive per lo sviluppo di HfO2 ferroelettrico dispositivi basati su funzionalità elettromeccaniche. Inoltre, da un punto di vista fondamentale, la possibilità di un composto ferroelettrico non piezoelettrico rivoluzionerebbe la nostra visione della ferroelettricità", afferma Dubourdieu.
Ulteriori informazioni: Haidong Lu et al, Cancellazione indotta elettricamente e inversione della piezoelettricità nell'Hf ferroelettrico0,5 Zr0,5 O2 , Comunicazioni sulla natura (2024). DOI:10.1038/s41467-024-44690-9
Fornito dall'Associazione Helmholtz dei centri di ricerca tedeschi
