Les ferroélectriques Hafnia reposent sur leurs promesses techniques et leurs comportements remarquables, dont les particularités proviennent d'un mécanisme extrinsèque actif qui contribue à leurs propriétés à partir d'un nombre croissant de nouvelles caractéristiques intrinsèques.
En raison de leur caractère non conventionnel, des questions fondamentales concernant ces matériaux restent ouvertes. Dans un nouveau rapport publié dans Communications Materials , Hugo Aramberri, Jorge Iniguez et une équipe de chercheurs en recherche, science et physique des matériaux au Luxembourg, ont utilisé des simulations du premier principe pour montrer comment l'adoption d'une phase de référence originale à haute symétrie a conduit au développement d'un système mathématiquement simple et physiquement transparent. traitement de l'état ferroélectrique de Hafnia. Les travaux ont fourni des révélations plus approfondies sur les ferroélectriques Hafnia afin d'optimiser leurs propriétés et d'induire de nouvelles propriétés.
Les ferroélectriques Hafnia sont très prometteurs sur le plan technique et possèdent des propriétés surprenantes en raison de leurs nanostructures et de leur réponse piézoélectrique réglable. Le comportement de tels matériaux reste à comprendre; cependant, une majorité de facteurs intrinsèques et extrinsèques influencent les propriétés observées. Ceux-ci incluent les caractéristiques intrinsèques des cristaux parfaits.
Sur la base de simulations de principes premiers, Aramberri et son équipe ont montré l'existence d'un état ferroélectrique et révélé ses propriétés. La ferroélectricité dans Hafnia montre la phase ferroélectrique avec quatre domaines différents dans les échantillons de Hafnia.
Pendant le cycle de réveil, l'hafnia se comporte comme un matériau biaxial ferroélastique qui nécessite une théorie basée sur une structure de référence tétragonale à haute symétrie. Les échantillons d'hafnia et de zircone « réveillés » présentent une coexistence de phases, notamment l'état ferroélastique o-III, l'état fondamental monoclinique bien connu et d'autres polymorphes orthorhombiques. Ces polymorphes sont séparés par des limites de largeur nulle.
La nature de la ferroélectricité de Hafnia
Hafnia présentait des caractéristiques typiques des ferroélectriques avec de grands champs coercitifs et une résilience de l'ordre polaire à l'échelle nanométrique. Les chercheurs avaient précédemment noté une forte anomalie diélectrique dans laquelle le chauffage du hafnia entraînait une transition de phase ferroélectrique, un peu comme les ferroélectriques appropriés tels que le titanate de baryum à haute permissivité.
Les simulations de la théorie fonctionnelle de la densité de l'oxyde de baryum et de titane ont présenté des caractéristiques caractéristiques de la ferroélectricité. Les résultats mettent également en lumière les transitions possibles entre les polymorphes stables de Hafnia et les variations de ses détails structurels.
Pour étudier la commutation ferroélectrique et les transitions induites par le champ dans l'hafnia et la zircone, Aramberri et son équipe ont construit un état théorique de référence o comme point de départ pour faciliter la référence de tous les états intermédiaires pertinents.
Au cours des expériences, l'équipe a mené des études en utilisant les premiers principes de la théorie fonctionnelle de la densité et a calculé la polarisation en utilisant une théorie moderne de la polarisation. Pour l'analyse de la symétrie, ils ont utilisé des outils cristallographiques standards basés sur le Web et ont visualisé les représentations structurelles des structures à l'aide de diagrammes de diffraction des rayons X.
Perspectives
De cette manière, Hugo Aramberri, Jorge Iniguez et leur équipe ont introduit un cadre théorique pour modéliser les propriétés fonctionnelles de la phase ferroélectrique la plus courante de l'hafnia et de la zircone, qui comprenait la commutation, les transitions induites par le champ et les réponses électromécaniques.
L’équipe s’est appuyée sur un ordre ferroïque uniaxial qui a affecté de nombreux échantillons de ce type. Les scientifiques ont discuté de l'impact du phénomène sur différents traitements, où les résultats ont fourni une image simple mais complète du paysage énergétique pertinent de l'hafnia et de la zircone qui relient naturellement tous les polymorphes de basse énergie.
La référence proposée est un point de départ idéal, depuis les études théoriques et informatiques jusqu'à la conception de nouvelles expériences et leur optimisation.
Plus d'informations : Hugo Aramberri et al, Approche théorique de la ferroélectricité dans l'hafnia et les matériaux associés, Matériaux de communication (2023). DOI :10.1038/s43246-023-00421-z
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