Os filmes finos de óxido de háfnio são uma classe fascinante de materiais com propriedades ferroelétricas robustas na faixa nanométrica. Embora o comportamento ferroelétrico seja extensivamente estudado, os resultados sobre os efeitos piezoelétricos permaneceram até agora misteriosos.



Um novo estudo publicado na revista Nature Communications agora mostra que a piezoeletricidade em ferroelétrico Hf_0,5 Zr_0,5 O₂ filmes finos podem ser alterados dinamicamente por ciclos de campo elétrico. Outro resultado inovador é a possível ocorrência de um composto ferroelétrico não piezoelétrico intrínseco. Esses recursos não convencionais do háfnia oferecem novas opções para uso em microeletrônica e tecnologia da informação.

Desde 2011, sabe-se que certos óxidos de háfnio são ferroelétricos; isto é, possuem uma polarização elétrica espontânea cuja direção pode ser invertida pela aplicação de um campo elétrico externo. Todos os ferroelétricos exibem piezoeletricidade e, na maioria das vezes, um coeficiente piezoelétrico longitudinal positivo (d₃₃ ).

Isto significa que o cristal se expande se o campo elétrico aplicado estiver na mesma direção da polarização elétrica. No entanto, para háfnia, estudos mostraram resultados contraditórios, com diferentes filmes de háfnia expandindo ou contraindo nas mesmas condições experimentais. Além disso, a polarização ferroelétrica pode aparentemente comutar contra o campo elétrico, o que é chamado de comutação “anômala”.

Comportamento não convencional investigado

Uma colaboração internacional liderada pela Profa. Catherine Dubourdieu, HZB, elucidou pela primeira vez alguns aspectos desses resultados misteriosos e descobriu um comportamento não convencional em hafnia. Eles investigaram Hf_0,5 Zr_0,5 O₂ (HZO) usando microscopia de força de resposta piezo (PFM):uma agulha condutora varre a superfície da amostra sob uma pequena tensão elétrica e mede a resposta piezoelétrica local.

Seu estudo revelou que a piezoeletricidade no HZO não é um parâmetro invariável, mas é uma entidade dinâmica que pode ser alterada no mesmo material por um estímulo externo, como o ciclo elétrico.

Os capacitores ferroelétricos HZO sofrem uma inversão completa e uniforme do piezoelétrico d₃₃ sinal do coeficiente de positivo para negativo durante o ciclo do campo elétrico. Cada local do capacitor ferroelétrico sofre tal mudança, passando por piezoeletricidade local zero após um número adequado de ciclos CA.

Nova opção:Materiais ferroelétricos sem piezoeletricidade

Os cálculos da teoria do funcional da densidade sugerem que o d₃₃ positivo no estado inicial é devido a uma fase ortorrômbica polar metaestável que evolui gradualmente, sob ciclagem ac, em direção à fase polar estável totalmente desenvolvida com d negativo₃₃ .

Os cálculos da DFT não apenas sugerem um mecanismo para o d₃₃ inversão de sinal, mas também prevê um resultado inovador:uma possível ocorrência de um composto ferroelétrico não piezoelétrico intrínseco, que é observado experimentalmente.

“Pela primeira vez, pudemos observar experimentalmente uma inversão de sinal do efeito piezoelétrico em toda a área de um capacitor nesses ferroelétricos Hafnia Zirconia sob campo elétrico CA aplicado”, afirma Dubourdieu. Esta descoberta tem um enorme potencial para aplicações tecnológicas.

"Como a piezoeletricidade nesses materiais pode ser alterada dinamicamente e até mesmo anulada enquanto a polarização permanece robusta, vemos perspectivas fantásticas para o desenvolvimento de HfO ferroelétrico₂ dispositivos baseados em tecnologia com funcionalidades eletromecânicas. Além disso, de um ponto de vista fundamental, a possibilidade de um composto ferroelétrico não piezoelétrico revolucionaria a nossa visão da ferroeletricidade", diz Dubourdieu.

Mais informações: Haidong Lu et al, Cancelamento induzido eletricamente e inversão de piezoeletricidade em Hf ferroelétrico_0,5 Zr_0,5 O₂ , Comunicações da Natureza (2024). DOI:10.1038/s41467-024-44690-9
Fornecido pela Associação Helmholtz de Centros de Pesquisa Alemães