Ferroelectricity and Piezoelectric Response of (Sc,Y)N/(Al,Ga,In)N Monolayer Alternating Stacked Structures by First‐Principles Calculations

铁电性 压电 材料科学 凝聚态物理 兴奋剂 结晶学 氮化物 纤锌矿晶体结构 压电系数 声子 电介质 纳米技术 化学 光电子学 物理 图层(电子) 复合材料 冶金
作者
Jianan Sun,Jianfei Zhang,Junying Yan,Yinglong Wang,Jianzhong Lou,Xiaobing Yan,Jianxin Guo
出处
期刊:Physica Status Solidi B-basic Solid State Physics [Wiley]
卷期号:259 (8) 被引量:9
标识
DOI:10.1002/pssb.202200079
摘要

Group III‐nitrides with doping recently attract great interest because of their outstanding ferroelectric and piezoelectric properties. Herein, the spontaneous polarization and piezoelectricity of the wurtzite III‐nitrides (AN, A = Al, Ga, In) with the rare earth element (R = Sc, Y) doping ( w ‐R 0.5 A 0.5 N) are investigated by first‐principles calculations. The polar w ‐R 0.5 A 0.5 N and nonpolar h ‐R 0.5 A 0.5 N are stable, which is proved by the elastic constants and phonon band structures. The w ‐Sc 0.5 In 0.5 N and w ‐Y 0.5 In 0.5 N can be applied to the ferroelectric field owing to their very small ferroelectric switching barriers (0.149 eV for w ‐Sc 0.5 In 0.5 N and 0.042 eV for w ‐Y 0.5 In 0.5 N) with large ferroelectric polarization (1.088 C m −2 for w ‐Sc 0.5 In 0.5 N and 0.937 C m −2 for w ‐Y 0.5 In 0.5 N). Furthermore, the w ‐Y 0.5 In 0.5 N has a large piezoelectric strain constant d 33 (14.018 pC N −1 ) based on the elastic constant C 33 softening and the increase of the piezoelectric constant e 33 , which is three times larger than that of w ‐InN (4.191 pC N −1 ). It is found that the biaxial tensile strain of 2% along in‐place significantly enhances the d 33 and e 33 , which increase to 35.572 pC N −1 and 2.669 C m −2 from 14.018 pC N −1 and 1.700 C m −2 of free w ‐Y 0.5 In 0.5 N, respectively.
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