Onconventionele piëzo-elektriciteit in ferro-elektrische hafnia

Dunne films van hafniumoxide zijn een fascinerende klasse materialen met robuuste ferro-elektrische eigenschappen in het nanometerbereik. Hoewel het ferro-elektrische gedrag uitgebreid wordt bestudeerd, zijn de resultaten van piëzo-elektrische effecten tot nu toe mysterieus gebleven.

Een nieuwe studie gepubliceerd in het journaal Natuurcommunicatie laat nu zien dat de piëzo-elektriciteit in ferroelektrische Hf_0,5Zr_0,5O₂ dunne films kunnen dynamisch worden veranderd door elektrische veldcycli. Een ander baanbrekend resultaat is het mogelijke voorkomen van een intrinsieke niet-piëzo-elektrische ferro-elektrische verbinding. Deze onconventionele kenmerken van hafnia bieden nieuwe mogelijkheden voor gebruik in de micro-elektronica en informatietechnologie.

Sinds 2011 is bekend dat bepaalde hafniumoxiden ferro-elektrisch zijn; dat wil zeggen, ze bezitten een spontane elektrische polarisatie waarvan de richting in de tegenovergestelde richting kan worden geschakeld door een extern elektrisch veld aan te leggen. Alle ferro-elektrische materialen vertonen piëzo-elektriciteit en, meestal, een positieve longitudinale piëzo-elektrische coëfficiënt (d₃₃).

Dit betekent dat het kristal uitzet als het aangelegde elektrische veld in dezelfde richting is als de elektrische polarisatie. Voor hafnia hebben onderzoeken echter tegenstrijdige resultaten opgeleverd, waarbij verschillende hafnia-films onder dezelfde experimentele omstandigheden uitzetten of samentrekken. Bovendien kan de ferro-elektrische polarisatie blijkbaar tegen het elektrische veld in schakelen, wat “abnormaal” schakelen wordt genoemd.

Onconventioneel gedrag onderzocht

Een internationale samenwerking onder leiding van prof. dr. Catherine Dubourdieu, HZB, heeft nu voor het eerst enkele aspecten van deze mysterieuze resultaten opgehelderd en onconventioneel gedrag bij hafnia ontdekt. Ze onderzochten Hf_0,5Zr_0,5O₂ (HZO) condensatoren die gebruikmaken van piëzoresponskrachtmicroscopie (PFM): een geleidende naald scant het monsteroppervlak onder een kleine elektrische spanning en meet de lokale piëzo-elektrische respons.

Uit hun onderzoek bleek dat piëzo-elektriciteit in HZO geen onveranderlijke parameter is, maar een dynamische entiteit is die in hetzelfde materiaal kan worden veranderd door een externe stimulus zoals elektrisch fietsen.

De ferro-elektrische HZO-condensatoren ondergaan een volledig uniforme inversie van de piëzo-elektrische d₃₃ coëfficiëntteken van positief naar negatief bij elektrische veldcycli. Elke afzonderlijke locatie van de ferro-elektrische condensator ondergaat een dergelijke verandering, waarbij na een geschikt aantal wisselstroomcycli nul lokale piëzo-elektriciteit wordt doorstaan.

Nieuwe optie: ferro-elektrische materialen zonder piëzo-elektriciteit

Berekeningen van de dichtheidsfunctionaaltheorie suggereren dat de positieve d₃₃ in de begintoestand is het gevolg van een metastabiele polaire orthorhombische fase die geleidelijk evolueert, onder ac-cycli, naar de volledig ontwikkelde stabiele polaire fase met negatieve d₃₃.

De DFT-berekeningen suggereren niet alleen een mechanisme voor de d₃₃ tekeninversie, maar voorspellen ook een baanbrekend resultaat: een mogelijk optreden van een intrinsieke niet-piëzo-elektrische ferro-elektrische verbinding, die experimenteel wordt waargenomen.

“Voor de eerste keer hebben we experimenteel een tekeninversie van het piëzo-elektrische effect kunnen waarnemen in het hele gebied van een condensator in deze Hafnia Zirconia ferro-elektrische componenten onder een aangelegd elektrisch wisselveld”, zegt Dubourdieu. Deze ontdekking heeft een enorm potentieel voor technologische toepassingen.

“Aangezien de piëzo-elektriciteit in deze materialen dynamisch kan worden veranderd en zelfs teniet kan worden gedaan terwijl de polarisatie robuust blijft, zien we fantastische vooruitzichten voor de ontwikkeling van ferro-elektrische HfO₂-gebaseerde apparaten met elektromechanische functionaliteiten. Bovendien zou de mogelijkheid van een niet-piëzo-elektrische ferro-elektrische verbinding vanuit een fundamenteel standpunt een revolutie teweegbrengen in onze visie op ferro-elektriciteit”, zegt Dubourdieu.