Electric-field-induced crossover of polarization reversal mechanisms in Al 1− x Sc x N ferroelectrics

材料科学 铁电性 电场 凝聚态物理 掺杂剂 成核 极化(电化学) 兴奋剂 化学物理 光电子学 纳米技术 电介质 热力学 物理化学 化学 物理 量子力学
作者
Aravind Krishnamoorthy,Subodh Tiwari,Aiichiro Nakano,Rajiv K. Kalia,Priya D. Vashishta
出处
期刊:Nanotechnology [IOP Publishing]
卷期号:32 (49): 49LT02-49LT02 被引量:31
标识
DOI:10.1088/1361-6528/ac20fc
摘要

Abstract Scandium-doped aluminum nitride, Al 1− x Sc x N, represents a new class of displacive ferroelectric materials with high polarization and sharp hysteresis along with high-temperature resilience, facile synthesizability and compatibility with standard CMOS fabrication techniques. The fundamental physics behind the transformation of unswitchable piezoelectric AlN into switchable Al–Sc–N ferroelectrics depends upon important atomic properties such as local structure, dopant distributions and the presence of competing mechanism of polarization switching in the presence of an applied electric-field that have not been understood. We computationally synthesize Al 1− x Sc x N to quantify the inhomogeneity of Sc distribution and phase segregation, and characterize its crystal and electronic structure as a function of Sc-doping. Nudged elastic band calculations of the potential energy surface and quantum molecular dynamics simulations of direct electric-field-driven ferroelectric switching reveal a crossover between two polarization reversal mechanisms—inhomogeneous nucleation-and-growth mechanism originating near Sc-rich regions in the limit of low applied fields and nucleation-limited-switching in the high-field regime. Understanding polarization reversal pathways for these two mechanisms as well as the role of local Sc concentration on activation barriers provides design rules to identify other combinations of dopant elements, such as Zr, Mg etc. to synthesize superior AlN-based ferroelectric materials.
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