Les films minces d’oxyde de hafnium constituent une classe fascinante de matériaux dotés de propriétés ferroélectriques robustes dans la gamme nanométrique. Bien que le comportement ferroélectrique soit largement étudié, les résultats sur les effets piézoélectriques sont jusqu'à présent restés mystérieux.
Une nouvelle étude publiée dans la revue Nature Communications montre maintenant que la piézoélectricité dans le ferroélectrique Hf0,5 Zr0,5 O2 les films minces peuvent être modifiés dynamiquement par le cycle du champ électrique. Un autre résultat révolutionnaire est l’apparition possible d’un composé ferroélectrique non piézoélectrique intrinsèque. Ces fonctionnalités non conventionnelles de Hafnia offrent de nouvelles options d'utilisation en microélectronique et en technologie de l'information.
Depuis 2011, on sait que certains oxydes de hafnium sont ferroélectriques; c'est-à-dire qu'ils possèdent une polarisation électrique spontanée dont la direction peut être inversée en appliquant un champ électrique externe. Tous les ferroélectriques présentent une piézoélectricité et, le plus souvent, un coefficient piézoélectrique longitudinal positif (d33 ).
Cela signifie que le cristal se dilate si le champ électrique appliqué est dans la même direction que la polarisation électrique. Cependant, pour l'hafnia, les études ont montré des résultats contradictoires, différents films d'hafnia se dilatant ou se contractant dans les mêmes conditions expérimentales. De plus, la polarisation ferroélectrique peut apparemment basculer contre le champ électrique, ce qui est appelé commutation « anormale ».
Une collaboration internationale dirigée par le professeur Catherine Dubourdieu, HZB, a élucidé pour la première fois certains aspects de ces résultats mystérieux et découvert un comportement non conventionnel chez hafnia. Ils ont étudié Hf0,5 Zr0,5 O2 (HZO) utilisant la microscopie à force de réponse piézoélectrique (PFM) :une aiguille conductrice scanne la surface de l'échantillon sous une faible tension électrique et mesure la réponse piézoélectrique locale.
Leur étude a révélé que la piézoélectricité dans HZO n'est pas un paramètre invariable mais une entité dynamique qui peut être modifiée dans le même matériau par un stimulus externe tel que le cycle électrique.
Les condensateurs ferroélectriques HZO subissent une inversion uniforme complète du d33 piézoélectrique signe du coefficient du positif au négatif lors du cycle du champ électrique. Chaque emplacement du condensateur ferroélectrique subit un tel changement, passant par une piézoélectricité locale nulle sur un nombre approprié de cycles CA.
Les calculs de la théorie fonctionnelle de la densité suggèrent que le d33 positif dans l'état initial est dû à une phase orthorhombique polaire métastable qui évolue progressivement, sous cycle ac, vers la phase polaire stable pleinement développée avec d33 négatif .
Les calculs DFT suggèrent non seulement un mécanisme pour le d33 inversion de signe, mais prédisent également un résultat révolutionnaire :l'apparition possible d'un composé ferroélectrique non piézoélectrique intrinsèque, observé expérimentalement.
"Pour la première fois, nous avons pu observer expérimentalement une inversion de signe de l'effet piézoélectrique dans toute la zone d'un condensateur dans ces ferroélectriques en Hafnia Zirconia soumis à un champ électrique alternatif appliqué", déclare Dubourdieu. Cette découverte a un énorme potentiel pour les applications technologiques.
"Comme la piézoélectricité de ces matériaux peut être modifiée de manière dynamique et même annulée tandis que la polarisation reste robuste, nous voyons des perspectives fantastiques pour le développement de HfO2 ferroélectrique. -appareils dotés de fonctionnalités électromécaniques. De plus, d'un point de vue fondamental, la possibilité d'un composé ferroélectrique non piézoélectrique révolutionnerait notre vision de la ferroélectricité", estime Dubourdieu.
Plus d'informations : Haidong Lu et al, Annulation et inversion induites électriquement de la piézoélectricité dans le Hf ferroélectrique 0,5 Zr0,5 O2 , Communications Nature (2024). DOI : 10.1038/s41467-024-44690-9
Fourni par l'Association Helmholtz des centres de recherche allemands
