Ferroelectricity in Simple Binary ZrO2 and HfO2

铁电性 正交晶系 四方晶系 单斜晶系 材料科学 相变 电介质 微电子 结晶学 氧化物 凝聚态物理 相(物质) 纳米技术 晶体结构 化学 光电子学 物理 有机化学 冶金
作者
Johannes Müller,T. S. Böscke,U. Schröder,Stefan Mueller,D. Bräuhaus,U. Böttger,L. Frey,Thomas Mikolajick
出处
期刊:Nano Letters [American Chemical Society]
卷期号:12 (8): 4318-4323 被引量:1472
标识
DOI:10.1021/nl302049k
摘要

The transition metal oxides ZrO2 and HfO2 as well as their solid solution are widely researched and, like most binary oxides, are expected to exhibit centrosymmetric crystal structure and therewith linear dielectric characteristics. For this reason, those oxides, even though successfully introduced into microelectronics, were never considered to be more than simple dielectrics possessing limited functionality. Here we report the discovery of a field-driven ferroelectric phase transition in pure, sub 10 nm ZrO2 thin films and a composition- and temperature-dependent transition to a stable ferroelectric phase in the HfO2–ZrO2 mixed oxide. These unusual findings are attributed to a size-driven tetragonal to orthorhombic phase transition that in thin films, similar to the anticipated tetragonal to monoclinic transition, is lowered to room temperature. A structural investigation revealed the orthorhombic phase to be of space group Pbc21, whose noncentrosymmetric nature is deemed responsible for the spontaneous polarization in this novel, nanoscale ferroelectrics.
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