Scaling Effects on Ferroelectric Polarization Switching and Activation Electric Field in Epitaxial Hf0.5Zr0.5O2 Nanodots

材料科学 铁电性 纳米点 缩放比例 极化(电化学) 电场 外延 凝聚态物理 光电子学 纳米技术 工程物理 电介质 物理化学 量子力学 物理 工程类 化学 数学 几何学 图层(电子)
作者
Yoonho Ahn,Jong Yeog Son
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
标识
DOI:10.1002/adfm.202511839
摘要

Abstract Hafnium oxide (HfO 2 )‐based ferroelectric thin films, particularly Hf 0.5 Zr 0.5 O 2 (HZO), have emerged as promising candidates for next‐generation nonvolatile memory due to their stable ferroelectricity at sub‐10 nm thicknesses. While HZO thin films have been widely studied, nanoscale ferroelectric architectures such as nanodots remain largely unexplored, especially in the context of polarization switching and domain wall dynamics. Here, the switching behavior and domain wall migration kinetics in epitaxial HZO nanodots with diameters of 30, 40, and 50 nm and thicknesses of 7, 10, and 13 nm are systematically investigated, using time‐resolved piezoresponse force microscopy. The domain wall velocity is found to increase with nanodot diameter but decrease with thickness, ranging from 1.2 to 2.1 m s −1 . A maximum velocity of 2.3 m s −1 is observed in a 10 nm thick HZO thin film. The piezoelectric response also improves with increasing aspect ratio, consistent with enhanced depolarization fields. Activation electric fields, determined via Merz's law, increase with decreasing nanodot thickness and diameter, reaching 6.65 MV cm −1 in the thinnest configuration. These behaviors are attributed to electrostatic boundary effects and depolarization charges surrounding the switching region. These results provide critical insights into ferroelectric scaling limits and offer design guidelines for high‐density, energy‐efficient ferroelectric memory and logic devices.
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