Ferro-elektrische domeinen verwacht in hafnia. a) toont de tetragonale
De ferro-elektrische componenten van Hafnia zijn gebaseerd op hun technische belofte en opmerkelijke gedrag, waarbij de eigenaardigheden voortkomen uit een actief extrinsiek mechanisme dat draagt bij aan hun eigenschappen van een groeiend aantal nieuwe intrinsieke kenmerken.
Vanwege hun onconventionele karakter blijven fundamentele vragen over de materialen open. In een nieuw rapport gepubliceerd in CommunicatiematerialenHugo Aramberri, Jorge Iniguez en een team van onderzoekers op het gebied van materiaalonderzoek, wetenschap en natuurkunde in Luxemburg gebruikten simulaties van het eerste principe om te laten zien hoe het aannemen van een originele referentiefase met hoge symmetrie leidde tot de ontwikkeling van een wiskundig eenvoudige en fysiek transparante behandeling van de ferro-elektrische toestand van Hafnia. Het werk leverde diepere onthullingen op over Hafnia-ferro-elektrische materialen om hun eigenschappen te optimaliseren en nieuwe eigenschappen te induceren.
Ferro-elektriciteit en redenen voor een alternatieve benadering van hafnia
Hafnia-ferro-elektrische materialen bevatten veel technische belofte en verrassende eigenschappen dankzij hun nanostructuren En instelbare piëzorespons. Het gedrag van dergelijke materialen moet nog worden begrepen; een meerderheid van intrinsieke en extrinsieke factoren beïnvloedt echter de waargenomen eigenschappen. Deze omvatten intrinsieke kenmerken van perfecte kristallen.
Gebaseerd op simulaties van de eerste principes, toonden Aramberri en het team het bestaan van een ferro-elektrische toestand aan en onthulden de eigenschappen ervan. De ferro-elektriciteit in hafnia toont de ferro-elektrische fase met vier verschillende domeinen in hafnia-monsters.
Tijdens het ontwaken gedraagt hafnia zich als een ferro-elastisch biaxiaal materiaal dat een theorie vereist die is gebaseerd op een tetragonale hoogsymmetriereferentiestructuur. De ‘ontwaakte’ hafnia- en zirkoniumoxidemonsters vertonen een naast elkaar bestaan van fasen, waaronder de o-III ferro-elastische toestandde bekende monokliene grondtoestand en andere orthorhombische polymorfen. Dergelijke polymorfen worden gescheiden door grenzen met een breedte van nul.
Energielandschap verbindende sleutel HfO2 polymorfen. De zwarte lijnen tonen de berekende energievariatie tussen de t- en o-III-fasen (a), o-III en o-ref (b), en o-ref en m (c). De energieën worden berekend voor tussenstructuren die worden verkregen door lineaire interpolatie tussen de overeenkomstige eindpuntpolymorfen. De rode lijn in (b) toont de energievariatie van de o-ref-toestand bij condensatie van de vervormingen die aanwezig zijn in de o-III-fase; de rode lijn in (c) toont het analoge resultaat wanneer alleen de fononvervormingen in de m-fase worden beschouwd. De blauwe lijn in (c) toont het resultaat van het samencondenseren van de fonon- en schuifspanningsvervormingen die aanwezig zijn in de m-fase, terwijl de groene lijn de energievariatie toont die alleen met de schuifspanning samenhangt. In (b) en (c) zijn de extra vervormingen die naar de zwarte lijn leiden volledig symmetrische modi, inclusief de normale celspanningen. Credit: Communicatiematerialendoi: 10.1038/s43246-023-00421-z
De aard van ferro-elektriciteit van Hafnia
Hafnia vertoonde kenmerken die daar typerend voor zijn ferro-elektriciteit met grote dwangvelden en veerkracht van de polaire orde op nanoschaal. Dat hadden onderzoekers eerder opgemerkt een sterke diëlektrische anomalie waarbij het verwarmen van hafnia resulteerde in een ferro-elektrische faseovergang, net zoals echte ferro-elektrische materialen zoals bariumtitanaat met een hoge permissiviteit.
De Dichtheid functionele theorie simulaties van bariumtitaanoxide vertoonden kenmerkende kenmerken van ferro-elektriciteit. De resultaten werpen ook licht op de mogelijke overgangen tussen stabiele hafnia-polymorfen en variaties op de structurele details ervan.
Om ferro-elektrische schakelingen en veldgestuurde overgangen in hafnia en zirkoniumoxide te onderzoeken, construeerden Aramberri en team een theoretische o-referentietoestand als uitgangspunt om de referentie van alle relevante tussenliggende toestanden te vergemakkelijken.
Tijdens de experimenten voerde het team studies uit met behulp van de eerste beginselen van de dichtheidsfunctionaaltheorie. Ze berekenden de polarisatie met behulp van een moderne theorie van polarisatie. Voor symmetrieanalyse gebruikten ze standaard webgebaseerde kristallografische hulpmiddelen en visualiseerden ze de structurele representaties van de structuren met behulp van röntgendiffractiepatronen.
Fononbanden van de o-ref-fase. a toont de berekende banden, waarbij denkbeeldige frequenties als negatieve waarden worden gepresenteerd. De belangrijkste onstabiele modi zijn gemarkeerd in (a). We laten ook de overeenkomstige eigenmodi zien en de polymorfen waartoe ze leiden: de zachte modus (b) en de overeenkomstige o-III-fase (c); de zachte modus (d) en de overeenkomstige oI-fase (e); de zachte modus (f) en de bijbehorende m-fase (g); en de zachte modus (h) en de overeenkomstige oI*-fase (i). We markeren in rood de actieve zuurstofatomen waarvan de verplaatsingen deze fononen karakteriseren. Voor de polymorfen geven we de energie aan met betrekking tot o-ref. Credit: Communicatiematerialendoi: 10.1038/s43246-023-00421-z
Vooruitzichten
Op deze manier introduceerden Hugo Aramberri, Jorge Iniguez en zijn team een theoretisch raamwerk om de functionele eigenschappen van de meest voorkomende ferro-elektrische fase van hafnia en zirkoniumoxide te modelleren, waaronder schakelen, veldgestuurde overgangen en elektromechanische reacties.
Het team vertrouwde op een uniaxiale ferroïsche orde die veel van dergelijke monsters beïnvloedde. De wetenschappers bespraken de impact van het fenomeen op verschillende behandelingen, waarbij de uitkomsten een eenvoudig maar grondig beeld gaven van het relevante energielandschap van hafnia en zirkoniumoxide dat op natuurlijke wijze alle energiezuinige polymorfen met elkaar verbond.
De voorgestelde referentie is een ideaal startpunt, van theoretische en computationele studies tot het bedenken van nieuwe experimenten en hun optimalisatie.
Meer informatie:
Hugo Aramberri et al, Theoretische benadering van ferro-elektriciteit in hafnia en aanverwante materialen, Communicatiematerialen (2023). DOI: 10.1038/s43246-023-00421-z