Las películas delgadas de óxido de hafnio son una clase fascinante de materiales con sólidas propiedades ferroeléctricas en el rango nanométrico. Si bien el comportamiento ferroeléctrico se ha estudiado ampliamente, los resultados sobre los efectos piezoeléctricos hasta ahora siguen siendo un misterio.
Un nuevo estudio publicado en la revista Nature Communications ahora muestra que la piezoelectricidad en ferroeléctrico Hf0.5 Zr0,5 O2 Las películas delgadas se pueden cambiar dinámicamente mediante ciclos de campos eléctricos. Otro resultado innovador es la posible aparición de un compuesto ferroeléctrico intrínseco no piezoeléctrico. Estas características poco convencionales de hafnia ofrecen nuevas opciones para su uso en microelectrónica y tecnología de la información.
Desde 2011 se sabe que ciertos óxidos de hafnio son ferroeléctricos; es decir, poseen una polarización eléctrica espontánea cuya dirección puede cambiarse en la opuesta aplicando un campo eléctrico externo. Todos los ferroeléctricos exhiben piezoelectricidad y, con mayor frecuencia, un coeficiente piezoeléctrico longitudinal positivo (d33 ).
Esto significa que el cristal se expande si el campo eléctrico aplicado está en la misma dirección que la polarización eléctrica. Sin embargo, para la hafnia, los estudios han mostrado resultados contradictorios, con diferentes películas de hafnia expandiéndose o contrayéndose en las mismas condiciones experimentales. Además, la polarización ferroeléctrica aparentemente puede conmutar contra el campo eléctrico, lo que se denomina conmutación "anómala".
Una colaboración internacional dirigida por la Prof. Dra. Catherine Dubourdieu, HZB, ha dilucidado por primera vez algunos aspectos de estos misteriosos resultados y ha descubierto un comportamiento poco convencional en la hafnia. Investigaron Hf0.5 Zr0,5 O2 (HZO) que utilizan microscopía de fuerza de respuesta piezoeléctrica (PFM):una aguja conductora escanea la superficie de la muestra bajo un pequeño voltaje eléctrico y mide la respuesta piezoeléctrica local.
Su estudio reveló que la piezoelectricidad en HZO no es un parámetro invariable sino que es una entidad dinámica que puede cambiar en el mismo material mediante un estímulo externo como el ciclo eléctrico.
Los condensadores ferroeléctricos HZO experimentan una inversión uniforme completa del piezoeléctrico d33 signo del coeficiente de positivo a negativo al realizar el ciclo del campo eléctrico. Cada ubicación del condensador ferroeléctrico sufre dicho cambio, pasando por una piezoelectricidad local cero en un número adecuado de ciclos de CA.
Los cálculos de la teoría del funcional de densidad sugieren que el d33 positivo en el estado inicial se debe a una fase ortorrómbica polar metaestable que evoluciona gradualmente, bajo ciclos de CA, hacia la fase polar estable completamente desarrollada con d33 negativo. .
Los cálculos de DFT no sólo sugieren un mecanismo para el d33 inversión de signos, pero también predice un resultado innovador:la posible aparición de un compuesto ferroeléctrico no piezoeléctrico intrínseco, que se observa experimentalmente.
"Por primera vez, hemos podido observar experimentalmente una inversión de signo del efecto piezoeléctrico en toda el área de un condensador en estos ferroeléctricos de Hafnia Zirconia bajo un campo eléctrico de CA aplicado", afirma Dubourdieu. Este descubrimiento tiene un enorme potencial para aplicaciones tecnológicas.
"Dado que la piezoelectricidad de estos materiales puede cambiarse dinámicamente e incluso anularse mientras la polarización sigue siendo sólida, vemos perspectivas fantásticas para el desarrollo del HfO2 ferroeléctrico". -Dispositivos basados en funcionalidades electromecánicas. Además, desde un punto de vista fundamental, la posibilidad de un compuesto ferroeléctrico no piezoeléctrico revolucionaría nuestra visión de la ferroelectricidad", afirma Dubourdieu.
Más información: Haidong Lu et al, Cancelación e inversión de piezoelectricidad inducida eléctricamente en Hf ferroeléctrico 0,5 Zr0,5 O2 , Comunicaciones de la Naturaleza (2024). DOI:10.1038/s41467-024-44690-9
Proporcionado por la Asociación Helmholtz de Centros de Investigación Alemanes
