Os materiais ferroelétricos têm aplicações em dispositivos eletrônicos de última geração, desde moduladores optoeletrônicos e memória de acesso aleatório a transdutores piezoelétricos e junções de túnel. Agora, pesquisadores do Instituto de Tecnologia de Tóquio relatam percepções sobre as propriedades de filmes finos epitaxiais à base de óxido de háfnio (à base de HfO2), confirmando uma fase ferroelétrica estável até 450 ° C. Como eles apontam, "Esta temperatura é suficientemente alta para que materiais ferroelétricos baseados em HfO2 sejam usados ​​em operação e processamento de dispositivos estáveis, visto que esta temperatura é comparável a de outros materiais ferroelétricos convencionais."

Relatórios de propriedades ferroelétricas em filmes finos de óxido de háfnio substituído - onde alguns íons foram substituídos por outros metais - têm atraído interesse particular porque esses filmes já são usados ​​em eletrônica e são compatíveis com as técnicas de fabricação de silício que dominam a indústria. No entanto, as tentativas de estudar a estrutura cristalina de filmes finos à base de HfO2 em detalhes para entender essas propriedades ferroelétricas encontraram desafios devido à orientação aleatória dos filmes policristalinos.

A fim de obter filmes finos com uma orientação de cristal bem definida, Takao Shimizu, Hiroshi Funakubo e colegas do Instituto de Tecnologia de Tóquio adotaram uma abordagem de crescimento que não havia sido testada com materiais à base de HfO2 antes - crescimento de filme epitaxial. Eles então usaram uma série de técnicas de caracterização - incluindo análise de difração de raios-x e mapeamento de espaço recíproco de área ampla - para identificar mudanças na estrutura cristalina conforme o conteúdo de ítrio aumentava. Eles descobriram uma mudança de uma fase de simetria baixa para uma fase de alta simetria por meio de uma fase ortorrômbica provisória com ítrio crescente de -15% de óxido de ítrio substituído.

Outros estudos confirmaram que esta fase ortorrômbica é ferroelétrica e estável para temperaturas de até 450 ° C. Eles concluem, "Os presentes resultados ajudam a esclarecer a natureza da ferroeletricidade em materiais ferroelétricos baseados em HfO2 e também sua aplicação potencial em vários dispositivos."

Fundo

Filmes finos de óxido de háfnio

A constante dielétrica (alto-κ) de HfO2 atraiu interesse anteriormente para uso em componentes eletrônicos, como capacitores de memória de acesso aleatório dinâmica (DRAM) e já é usada para portas alto-κ em dispositivos. Como resultado, sua compatibilidade com o processamento CMOS que domina a fabricação de eletrônicos atuais já é conhecida.

Propriedades ferroelétricas foram relatadas em filmes finos de HfO2 com alguns íons de háfnio substituídos por diferentes tipos de íons, incluindo ítrio, alumínio e lantânio, bem como silício e zircônio. Os pesquisadores estudaram filmes de HfO2 substituídos pelo óxido de ítrio YO1.5, pois propriedades ferroelétricas já foram relatadas em filmes desse material.

Crescimento epitaxial

Uma orientação de cristal bem definida em relação ao substrato pode ser obtida em filmes crescidos epitaxialmente, mas o processo geralmente requer altas temperaturas. Devido à tendência de se decompor em fases não ferroelétricas, os HfO2 são geralmente preparados por cristalização de filmes amorfos. Os pesquisadores usaram deposição de laser pulsado para preparar filmes à base de HfO2 crescidos epitaxialmente sem destruir a fase ferroelétrica. Os filmes cresceram em zircônia estabilizada com ítria e tinham cerca de 20 nm de espessura.

Fases do cristal e caracterização

O HfO2 existe em uma fase monoclínica estável de baixa simetria, onde a estrutura se assemelha a um prisma retangular com uma base de paralelogramo. Essa estrutura muda para uma fase estruturada cúbica ou tetragonal de alta simetria por meio de uma fase ortorrômbica metaestável.

Monoclínico, estruturas cristalinas cúbicas e tetragonais têm galope de inversão, que exclui propriedades ferroelétricas. Portanto, os pesquisadores se concentraram no ortorrômbico. A coexistência de várias fases em HfO2 complica ainda mais os estudos da estrutura cristalina, tornando ainda mais desejável obter filmes com orientações de cristal bem definidas. Antes do trabalho atual, ainda não estava claro se o crescimento epitaxial de filmes baseados em HfO2 era possível.

Trabalhos anteriores usaram microscopia eletrônica de transmissão e difração de elétrons de feixe convergente simultâneo para confirmar a existência da fase ortorrômbica, mas uma análise mais detalhada da estrutura cristalina se mostrou difícil devido à orientação policristalina aleatória.

Com os filmes finos de crescimento epitaxial, os pesquisadores foram capazes de usar a análise de difração de raios-x e medições de mapeamento recíproco de área ampla para identificar a fase ortorrômbica. Em seguida, eles usaram microscopia eletrônica de varredura de campo claro anular com correção de aberração e microscopia eletrônica de varredura de campo escuro anular de alto ângulo para confirmar que a fase ortorrômbica era ferroelétrica.