Kinetically stabilized ferroelectricity in bulk single-crystalline HfO2:Y

铁电性 材料科学 正交晶系 凝聚态物理 哈夫尼亚 中子衍射 结晶学 电介质 光电子学 晶体结构 化学 物理 陶瓷 立方氧化锆 复合材料
作者
Xianghan Xu,Fei-Ting Huang,Yubo Qi,Sobhit Singh,Karin M. Rabe,Dimuthu Obeysekera,Junjie Yang,Ming-Wen Chu,Sang‐Wook Cheong
出处
期刊:Nature Materials [Nature Portfolio]
卷期号:20 (6): 826-832 被引量:162
标识
DOI:10.1038/s41563-020-00897-x
摘要

HfO2, a simple binary oxide, exhibits ultra-scalable ferroelectricity integrable into silicon technology. This material has a polymorphic nature, with the polar orthorhombic (Pbc21) form in ultrathin films regarded as the plausible cause of ferroelectricity but thought not to be attainable in bulk crystals. Here, using a state-of-the-art laser-diode-heated floating zone technique, we report the Pbc21 phase and ferroelectricity in bulk single-crystalline HfO2:Y as well as the presence of the antipolar Pbca phase at different Y concentrations. Neutron diffraction and atomic imaging demonstrate (anti)polar crystallographic signatures and abundant 90°/180° ferroelectric domains in addition to switchable polarization with negligible wake-up effects. Density-functional-theory calculations indicate that the yttrium doping and rapid cooling are the key factors for stabilization of the desired phase in bulk. Our observations provide insights into the polymorphic nature and phase control of HfO2, remove the upper size limit for ferroelectricity and suggest directions towards next-generation ferroelectric devices. Hafnia ferroelectrics are of industrial interest owing to their compatibility with silicon-based electronics, but the ferroelectricity only exists in nanoscale films. Here, using a floating zone growth approach, ferroelectricity in bulk Y-doped hafnia is demonstrated.
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