Effects of growth orientations and epitaxial strains on phase stability of HfO2 thin films

铁电性 材料科学 正交晶系 相界 薄膜 凝聚态物理 相变 四方晶系 相(物质) 外延 结晶学 纳米技术 光电子学 电介质 晶体结构 物理 量子力学 化学 图层(电子)
作者
Shi Liu,Brendan Hanrahan
出处
期刊:Physical Review Materials [American Physical Society]
卷期号:3 (5) 被引量:91
标识
DOI:10.1103/physrevmaterials.3.054404
摘要

The discovery of ferroelectricity in both pure and doped HfO$_2$-based thin\nfilms have revitalized the interest in using ferroelectrics for nanoscale\ndevice applications. To take advantage of this silicon-compatible\nferroelectric, fundamental questions such as the origin of ferroelectricity and\nbetter approach to controlled realization of ferroelectricity at the nanoscale\nneed to be addressed. The emergence of robust polarization in HfO$_2$-based\nthin films is considered as the cumulative effect of various extrinsic factors\nsuch as finite-size effects and surface/interface effects of small grains,\ncompressive stress, dopants, oxygen vacancies, and electric fields. The kinetic\neffects of phase transitions and their potential impacts on the emergence of\nferroelectricity in HfO$_2$ at the nanoscale are not well understood. In this\nwork, we construct the transition paths between different polymorphs of hafnia\nwith density functional theory calculations and variable-cell nudged elastic\nband technique. We find that the transition barriers depend strongly on the\nmechanical boundary conditions and the transition from the tetragonal phase to\nthe polar orthorhombic phase is a fast process kinetically under clamping. The\neffects of growth orientations and epitaxial strains on the relative stability\nof different phases of HfO$_2$ are investigated. The two orthorhombic phases,\npolar $Pca2_1$ and non-polar $Pbca$, become thermodynamically stable in\n(111)-oriented thin films over a wide range of epitaxial strain conditions.\nThis work suggests a potential avenue to better stabilize the ferroelectric\nphase in HfO$_2$ thin films through substrate orientation engineering.\n
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