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Optimization of Ferroelectric Properties of HfO2-Based Thin Films by Ion Irradiation

铁电性 离子 材料科学 薄膜 辐照 分析化学(期刊) 相(物质) 物理 纳米技术 化学 光电子学 电介质 核物理学 有机化学 量子力学
作者
Ningtao Liao,Xin Lin,Bingyan Zhu,Xiangli Zhong,Limei Jiang,Xiaoping Ouyang
出处
期刊:IEEE Transactions on Nuclear Science [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:71 (5): 1208-1217
标识
DOI:10.1109/tns.2024.3383160
摘要

In order to explore ion irradiation optimization schemes for HfO 2 -based ferroelectric films, this paper combines the Monte Carlo method with the Phase Field method to establish a multi-scale model that correlates micro vacancy and macro ferroelectric properties of thin films. This study indicates that ions such as He, Ar, and Fe can optimize the ferroelectric properties of thin films, while H ions are unsuitable for irradiation optimization. The synergistic effect of concentration and distribution of ion-induced ion oxygen vacancies is the key microscopic factor affecting the film's ferroelectric properties. Oxygen vacancy defects with a concentration of 1×10 22 cm -3 and uniform distribution could maximize the optimization of thin film's ferroelectric performance. Oxygen vacancy's concentration and distribution are respectively mainly determined by the ion dose and type. Adjusting the incidence angle of ion can to some extent solve the problem of uneven distribution of oxygen vacancies. Through extensive simulation analysis, we found that Ar ions, when administered at incidence energy of 400 keV and dosage of 5×10 15 ions/cm 2 , exhibit the most significant optimization effect on the ferroelectric properties of the thin film, resulting in a remarkable 46% increase in remnant polarization compared to the pre-irradiation state. This work elucidates the fundamental principles of optimizing the ferroelectric properties of HfO 2 -based thin films by ion irradiation and provides appropriate irradiation conditions, thus offering theoretical support for experimental endeavors in ion irradiation-based modification and optimization.
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