Effect of annealing on structural changes and oxygen diffusion in amorphous HfO2 using classical molecular dynamics

无定形固体 化学物理 退火(玻璃) 分子动力学 材料科学 活化能 扩散 密度泛函理论 化学 凝聚态物理 热力学 计算化学 物理化学 结晶学 物理 复合材料
作者
Wenqing Shen,Niru Kumari,Gary A. P. Gibson,Yoocharn Jeon,Dick Henze,Sarah Silverthorn,Cullen Bash,Satish Kumar
出处
期刊:Journal of Applied Physics [American Institute of Physics]
卷期号:123 (8) 被引量:19
标识
DOI:10.1063/1.5009439
摘要

Non-volatile memory is a promising alternative to present memory technologies. Oxygen vacancy diffusion has been widely accepted as one of the reasons for the resistive switching mechanism of transition-metal-oxide based resistive random access memory. In this study, molecular dynamics simulation is applied to investigate the diffusion coefficient and activation energy of oxygen in amorphous hafnia. Two sets of empirical potential, Charge-Optimized Many-Body (COMB) and Morse-BKS (MBKS), were considered to investigate the structural and diffusion properties at different temperatures. COMB predicts the activation energy of 0.53 eV for the temperature range of 1000–2000 K, while MBKS predicts 2.2 eV at high temperature (1600–2000 K) and 0.36 eV at low temperature (1000–1600 K). Structural changes and appearance of nano-crystalline phases with increasing temperature might affect the activation energy of oxygen diffusion predicted by MBKS, which is evident from the change in coordination number distribution and radial distribution function. None of the potentials make predictions that are fully consistent with density functional theory simulations of both the structure and diffusion properties of HfO2. This suggests the necessity of developing a better multi-body potential that considers charge exchange.
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