铁电二氧化铪中的非常规压电性

氧化铪薄膜是一类令人着迷的材料，在纳米范围内具有强大的铁电特性。虽然铁电行为得到了广泛的研究，但压电效应的结果迄今为止仍然是个谜。

发表在《自然通讯》杂志上的一项新研究表明，铁电Hf0.5Zr0.5O2薄膜的压电性可以通过电场循环动态改变。另一个突破性的结果是可能出现本征非压电铁电化合物。氧化铪的这些非常规特征为微电子和信息技术的使用提供了新的选择。

自2011年以来，人们知道某些铪氧化物具有铁电性;也就是说，它们具有自发电极化，可以通过施加外部电场将其方向切换到相反的方向。所有铁电体都表现出压电性，并且最常见的是正纵向压电系数(d33)。

这意味着如果施加的电场与电极化方向相同，晶体就会膨胀。然而，对于氧化铪，研究显示出矛盾的结果，不同的氧化铪薄膜在相同的实验条件下会膨胀或收缩。此外，铁电极化明显可以逆着电场进行切换，这被称为“反常”切换。

调查非常规行为

由HZB的CatherineDubourdieu教授领导的一项国际合作现在首次阐明了这些神秘结果的某些方面，并发现了哈夫尼亚的非常规行为。他们使用压电响应力显微镜(PFM)研究了Hf0.5Zr0.5O2(HZO)电容器：导电针在小电压下扫描样品表面并测量局部压电响应。

他们的研究表明，HZO中的压电性不是一个不变的参数，而是一个动态实体，可以通过外部刺激(例如电循环)来改变同一材料中的压电性。

铁电HZO电容器在电场循环时经历压电d33系数符号从正到负的完全均匀反转。铁电电容器的每个位置都会经历这样的变化，在适当数量的交流循环后通过零局部压电。

新选择：无压电性的铁电材料

密度泛函理论计算表明，初始状态下的正d33是​​由于亚稳态极性斜方相，在交流循环下逐渐演化为具有负d33的完全发展的稳定极性相。

DFT计算不仅提出了d33符号反转的机制，而且还预测了一个突破性的结果：可能出现通过实验观察到的本征非压电铁电化合物。

“我们第一次能够在施加交流电场的情况下，通过实验观察到这些铪氧化锆铁电体电容器整个区域中压电效应的符号反转，”Dubourdieu说道。这一发现具有巨大的技术应用潜力。

“由于这些材料中的压电性可以动态改变甚至消除，同时极化保持强劲，因此我们看到了开发具有机电功能的铁电HfO2基器件的广阔前景。此外，从基本角度来看，非压电材料的可能性铁电化合物将彻底改变我们对铁电的看法。”Dubourdieu说。

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