From prediction to experimental realization of ferroelectric wurtzite Al1−xGdxN alloys

材料科学 铁电性 纤锌矿晶体结构 实现(概率) 凝聚态物理 铁电陶瓷 X射线晶体学 结晶学 冶金 光电子学 电介质 光学 衍射 物理 化学 统计 数学
作者
Cheng‐Wei Lee,Rebecca W. Smaha,Geoff L. Brennecka,N. M. Haegel,Prashun Gorai,Keisuke Yazawa
出处
期刊:APL Materials [American Institute of Physics]
卷期号:13 (2)
标识
DOI:10.1063/5.0251168
摘要

AlN-based alloys find widespread application in high-power microelectronics, optoelectronics, and electromechanics. The realization of ferroelectricity in wurtzite AlN-based heterostructural alloys has opened up the possibility of directly integrating ferroelectrics with conventional microelectronics based on tetrahedral semiconductors, such as Si, SiC, and III–Vs, enabling compute-in-memory architectures, high-density data storage, and more. The discovery of AlN-based wurtzite ferroelectrics has been driven to date by chemical intuition and empirical explorations. Here, we demonstrate the computationally-guided discovery and experimental demonstration of new ferroelectric wurtzite Al1−xGdxN alloys. First-principles calculations indicate that the minimum energy pathway for switching changes from a collective to an individual switching process with a lower overall energy barrier, at a rare-earth fraction x with x > 0.10–0.15. Experimentally, ferroelectric switching is observed at room temperature in Al1−xGdxN films with x > 0.12, which strongly supports the switching mechanisms in wurtzite ferroelectrics proposed previously [Lee et al., Sci. Adv. 10, eadl0848 (2024)]. This is also the first demonstration of ferroelectricity in an AlN-based alloy with a magnetic rare-earth element, which could pave the way for additional functionalities such as multiferroicity and opto-ferroelectricity in this exciting class of AlN-based materials.
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