Control of intrinsic ferroelectricity and structural phase in pure HfO2 films via crystalline orientation

铁电性 材料科学 相(物质) 方向(向量空间) 结晶学 化学 光电子学 电介质 有机化学 数学 几何学
作者
Haiyi Zhang,Yuchen Tu,Zijian Wang,Xiang Zhou,Yuchen Wang,Xinzhe Du,Shengchun Shen,Yuewei Yin,Xiaoguang Li
出处
期刊:Journal of Physics D [Institute of Physics]
卷期号:57 (36): 365305-365305 被引量:5
标识
DOI:10.1088/1361-6463/ad5604
摘要

Abstract The ferroelectricity of hafnia-based thin films has garnered considerable attention in both academic researches and industrial applications. However, the fundamental properties, such as high coercivity, the wake-up effect, and the mechanism of ferroelectricity have not been fully elucidated. Here we report the crystallization orientation control of structural phase and ferroelectricity in pure HfO 2 thin films. Both (001)- and (111)-oriented HfO 2 thin films exhibit a mixture of ferroelectric orthorhombic and non-ferroelectric monoclinic phases. With decreasing film thickness, the orthorhombic phase ratio increases for both orientations, with a consistently higher proportion for (111)-oriented film. Consequently, the ferroelectricity is significantly enhanced in thinner (111)-oriented film. Remarkably, both (001)- and (111)-oriented pure HfO 2 thin films demonstrate an intrinsic ferroelectricity. Moreover, the coercive field of the (001)-oriented film appears to be lower than that of the (111)-oriented film. Additionally, oxygen ions migrate more easily in the (001)-oriented film, which exhibits distinct electronic structure and local atomic ordering compared to the (111)-oriented film. These results provide valuable insights into the ferroelectricity of HfO 2 and suggest that crystalline orientation is an effective approach to explore the ferroelectric properties in hafnia-based films.
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