Los materiales ferroeléctricos tienen aplicaciones en dispositivos electrónicos de próxima generación, desde moduladores optoelectrónicos y memorias de acceso aleatorio hasta transductores piezoeléctricos y uniones de túneles. Ahora, los investigadores del Instituto de Tecnología de Tokio informan sobre las propiedades de las películas delgadas epitaxiales a base de óxido de hafnio (basadas en HfO2), confirmando una fase ferroeléctrica estable hasta 450 ° C. Como señalan, "Esta temperatura es lo suficientemente alta para que los materiales ferroeléctricos basados ​​en HfO2 se utilicen en un funcionamiento y procesamiento de dispositivos estables, ya que esta temperatura es comparable a las de otros materiales ferroeléctricos convencionales".

Los informes de propiedades ferroeléctricas en películas delgadas de óxido de hafnio sustituido, donde algunos iones fueron reemplazados por otros metales, han atraído un interés particular porque estas películas ya se utilizan en electrónica y son compatibles con las técnicas de fabricación de silicio que dominan la industria. Sin embargo, los intentos de estudiar la estructura cristalina de las películas delgadas a base de HfO2 en detalle para comprender estas propiedades ferroeléctricas se han enfrentado a desafíos debido a la orientación aleatoria de las películas policristalinas.

Para obtener películas delgadas con una orientación cristalina bien definida, Takao Shimizu, Hiroshi Funakubo y sus colegas del Instituto de Tecnología de Tokio recurrieron a un enfoque de crecimiento que no se había probado antes con materiales basados ​​en HfO2:el crecimiento de la película epitaxial. Luego utilizaron una variedad de técnicas de caracterización, incluido el análisis de difracción de rayos X y el mapeo del espacio recíproco de área amplia, para identificar cambios en la estructura cristalina a medida que aumentaba el contenido de itrio. Encontraron un cambio de una fase de simetría baja a una de alta a través de una fase ortorrómbica intermedia con itrio en aumento desde un -15% de óxido de itrio sustituido.

Otros estudios confirmaron que esta fase ortorrómbica es ferroeléctrica y estable para temperaturas de hasta 450 ° C. Ellos concluyen, "Los presentes resultados ayudan a aclarar la naturaleza de la ferroelectricidad en materiales ferroeléctricos basados ​​en HfO2 y también su aplicación potencial en varios dispositivos".

Fondo

Películas delgadas de óxido de hafnio

La constante dieléctrica (alta-κ) de HfO2 ha atraído previamente interés para su uso en componentes electrónicos como condensadores de memoria dinámica de acceso aleatorio (DRAM) y ya se utiliza para puertas de alta κ en dispositivos. Como resultado, ya se conoce su compatibilidad con el procesamiento CMOS que domina la fabricación electrónica actual.

Se han informado propiedades ferroeléctricas en películas delgadas de HfO2 con algunos iones de hafnio sustituidos por diferentes tipos de iones, incluido el itrio, aluminio y lantano, así como silicio y circonio. Los investigadores estudiaron películas de HfO2 sustituidas por el óxido de itrio YO1.5 ya que ya se han reportado propiedades ferroeléctricas en películas de este material.

Crecimiento epitaxial

Se puede obtener una orientación de cristal bien definida con respecto al sustrato en películas que crecen epitaxialmente, pero el proceso normalmente requiere altas temperaturas. Debido a la tendencia a descomponerse en fases no ferroeléctricas, el HfO2 se prepara habitualmente mediante cristalización de películas amorfas. Los investigadores utilizaron la deposición por láser pulsado para preparar películas basadas en HfO2 cultivadas epitaxialmente sin destruir la fase ferroeléctrica. Las películas se cultivaron sobre zirconia estabilizada con itria y tenían un grosor de aproximadamente 20 nm.

Fases cristalinas y caracterización

El HfO2 existe en una fase monoclínica estable de baja simetría, donde la estructura se asemeja a un prisma rectangular con una base de paralelogramo. Esta estructura cambia a una fase estructurada tetragonal o cúbica de alta simetría a través de una fase ortorrómbica metaestable.

Monoclínico, Las estructuras cristalinas cúbicas y tetragonales tienen galope de inversión, lo que descarta las propiedades ferroeléctricas. Por tanto, los investigadores se centraron en el ortorrómbico. La coexistencia de varias fases en HfO2 complica aún más los estudios de la estructura cristalina, lo que hace que sea aún más deseable obtener películas con orientaciones de cristal bien definidas. Antes del trabajo actual, todavía no estaba claro si era posible el crecimiento epitaxial de las películas basadas en HfO2.

El trabajo anterior había utilizado microscopía electrónica de transmisión y difracción de electrones de haz convergente simultáneo para confirmar la existencia de la fase ortorrómbica. pero un análisis más detallado de la estructura cristalina resultó difícil debido a la orientación policristalina aleatoria.

Con las películas delgadas cultivadas epitaxialmente, los investigadores pudieron utilizar análisis de difracción de rayos X y mediciones de mapeo de espacio recíproco de área amplia para identificar la fase ortorrómbica. Luego utilizaron microscopía electrónica de transmisión de barrido de campo oscuro anular con corrección de aberración y campo oscuro anular de ángulo alto para confirmar que la fase ortorrómbica era ferroeléctrica.