Ferroelectric freestanding hafnia membranes with metastable rhombohedral structure down to 1-nm-thick

铁电性 哈夫尼亚 材料科学 亚稳态 正交晶系 相(物质) 纳米尺度 纳米技术 结晶学 光电子学 复合材料 晶体结构 化学 陶瓷 电介质 生物化学 立方氧化锆 有机化学
作者
Yufan Shen,Kousuke Ooe,Xueyou Yuan,Tomoaki Yamada,Shunsuke Kobayashi,Mitsutaka Haruta,Daisuke Kan,Yuichi Shimakawa
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:15 (1)
标识
DOI:10.1038/s41467-024-49055-w
摘要

Abstract Two-dimensional freestanding membranes of materials, which can be transferred onto and make interfaces with any material, have attracted attention in the search for functional properties that can be utilized for next-generation nanoscale devices. We fabricated stable 1-nm-thick hafnia membranes exhibiting the metastable rhombohedral structure and out-of-plane ferroelectric polarizations as large as 13 μC/cm 2 . We also found that the rhombohedral phase transforms into another metastable orthorhombic phase without the ferroelectricity deteriorating as the thickness increases. Our results reveal the key role of the rhombohedral phase in the scale-free ferroelectricity in hafnia and also provide critical insights into the formation mechanism and phase stability of the metastable hafnia. Moreover, ultrathin hafnia membranes enable heterointerfaces and devices to be fabricated from structurally dissimilar materials beyond structural constrictions in conventional film-growth techniques.
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