Strain-induced antipolar phase in hafnia stabilizes robust thin-film ferroelectricity

铁电性 材料科学 凝聚态物理 相变 相(物质) 极化(电化学) 物理 光电子学 电介质 化学 量子力学 物理化学
作者
Songsong Zhou,Jiahao Zhang,Andrew M. Rappe
出处
期刊:Science Advances [American Association for the Advancement of Science]
卷期号:8 (47) 被引量:17
标识
DOI:10.1126/sciadv.add5953
摘要

Hafnia (HfO2) is a promising candidate for next-generation ferroelectric devices due to its robust ferroelectricity at reduced dimensions and its compatibility with silicon technology. Unfortunately, the origin of robust ferroelectricity and the underlying phase transition mechanism in HfO2 remain elusive. Here, we show that its ferroelectricity arises from two phase transitions, where the primary phase transition to antipolar phase is activated by tensile strain. Above a threshold antipolar mode amplitude, a strong cooperative polar-antipolar coupling enables a second ferroelectric phase transition superimposed on the antipolar phase. Because the antipolar mode is not susceptible to depolarization, this polar-antipolar coupling stabilizes the polarization against depolarization effects. Our results demonstrate that tensile strain and polar-antipolar coupling are the origins of ferroelectricity in HfO2 and provide a previously unknown mechanism against depolarization other than conventional improper ferroelectricity.

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