Ordering of Oxygen Vacancies and Related Ferroelectric Properties in HfO2−δ

铁电性 单斜晶系 四方晶系 正交晶系 材料科学 能量(信号处理) 结晶学 凝聚态物理 物理 晶体结构 化学 量子力学 电介质 光电子学
作者
Konstantin Z. Rushchanskii,Stefan Blügel,Marjana Ležaić
出处
期刊:Physical Review Letters [American Physical Society]
卷期号:127 (8): 087602-087602 被引量:76
标识
DOI:10.1103/physrevlett.127.087602
摘要

Using density functional theory combined with an evolutionary algorithm, we investigate ferroelectricity in substoichiometric HfO_{2-δ} with fixed composition δ=0.25. We find that oxygen vacancies tend to cluster in the form of two-dimensional extended defects, revealing several patterns of local relative arrangements within an energy range of 100 meV per Hf atom. Two lowest-energy patterns result in polar monoclinic structures with different transformation properties. The lowest one elastically transforms to the ferroelectric orthorhombic structure via a shear deformation, overcoming an energy barrier, which is more than twice lower than in the stoichiometric hafnia. The second-lowest structure transforms at smaller volumes to a nonpolar tetragonal one. We discuss the experimentally observed wake-up effect, fatigue, and imprint in HfO_{2}-based ferroelectrics in terms of different local ordering of oxygen-vacancy extended defects, which favor specific crystallographic phases.
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