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Influence of interface on the domain polarization orientation in ferroelectric Hf0.5Zr0·5O2 thin films

材料科学 铁电性 极化(电化学) 接口(物质) 方向(向量空间) 领域(数学分析) 复合材料 光电子学 电介质 几何学 物理化学 数学分析 化学 数学 毛细管数 毛细管作用
作者
Yunzhe Zheng,Yilin Xu,Fengrui Sui,Zhaomeng Gao,Ju Chen,Zhao Guan,Luqi Wei,Zhen‐Yu Jia,Tianjiao Xin,Yiwei Wang,Cheng Liu,Rui Wang,Yonghui Zheng,Chao Li,Xiaoling Lin,Shijing Gong,Yan Cheng
出处
期刊:Ceramics International [Elsevier BV]
标识
DOI:10.1016/j.ceramint.2024.03.055
摘要

Ferroelectric HfO2-based materials have attracted extensive attention in the research of next-generation nonvolatile memories and logic devices due to their superior scaling properties and compatibility with the CMOS process. However, forming the ferroelectric metastable phase in the thin films of a few nanometers requires clamping of the top and bottom electrodes. As a result, the interface can significantly impact domain structure and polarization, leading to imprinting effects and non-uniform space charge distribution. Here, we have demonstrated how the interface affects the ferroelectric polarization in Hf0.5Zr0·5O2 (HZO) thin films produced by ALD and the physical mechanisms behind it. We found that by regulating the quantity of oxygen vacancy content at the top and bottom interfaces of TiN/HZO/TiN ferroelectric capacitors, it is possible to achieve inversion of polarization orientation. By using a spherical aberration-corrected transmission electron microscope and first-principles calculation, we identified that the internal electric field generated by the accumulation of oxygen vacancies at an interface and the asymmetrical electrostatic energy of the interfacial T-phase layer jointly play a role in the ferroelectric polarization orientation. Our results will significantly help the interface engineering of HfO2-based ferroelectric thin films and devices.

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