Ultrahigh Oxygen Ion Mobility in Ferroelectric Hafnia

铁电性 离子键合 材料科学 离子 凝聚态物理 极化(电化学) 化学物理 离子电导率 分子动力学 相变 纳米技术 光电子学 物理 电介质 化学 物理化学 量子力学 电极 电解质
作者
Liyang Ma,Jing Wu,Tianyuan Zhu,Yiwei Huang,Qiyang Lu,Shi Liu
出处
期刊:Physical Review Letters [American Physical Society]
卷期号:131 (25): 256801-256801 被引量:66
标识
DOI:10.1103/physrevlett.131.256801
摘要

Ferroelectrics and ionic conductors are important functional materials, each supporting a plethora of applications in information and energy technology. The underlying physics governing their functional properties is ionic motion, and yet studies of ferroelectrics and ionic conductors are often considered separate fields. Based on first-principles calculations and deep-learning-assisted large-scale molecular dynamics simulations, we report ferroelectric-switching-promoted oxygen ion transport in HfO_{2}, a wide-band-gap insulator with both ferroelectricity and ionic conductivity. Applying a unidirectional bias can activate multiple switching pathways in ferroelectric HfO_{2}, leading to polar-antipolar phase cycling that appears to contradict classical electrodynamics. This apparent conflict is resolved by the geometric-quantum-phase nature of electric polarization that carries no definite direction. Our molecular dynamics simulations demonstrate bias-driven successive ferroelectric transitions facilitate ultrahigh oxygen ion mobility at moderate temperatures, highlighting the potential of combining ferroelectricity and ionic conductivity for the development of advanced materials and technologies.
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