納米科學：研究揭示了在氧化鉿基薄膜中觀察到的鐵電性質！
鐵電材料在下一代電子器件中具有應用，從光電調製器和隨機存取存儲器到壓電換能器和隧道結。現在，東京工業大學的研究人員報告了外延氧化鉿基（HfO2基）薄膜的特性，證實了穩定的鐵電相高達450°C。正如他們所指出的那樣，「這種溫度對於基於HfO2的鐵電材料來說足夠高，可以用於穩定的器件操作和加工，因為這個溫度與其他傳統的鐵電材料相當。
關於取代鉿氧化物薄膜中鐵電性質的報導 - 其中一些離子被其他金屬取代 - 引起了特別的興趣，因為這些薄膜已經用於電子產品並且與主導該行業的矽製造技術兼容。然而，由於多晶膜的隨機取向，試圖詳細研究基於HfO 2的薄膜的晶體結構以理解這些鐵電性質已經遇到了挑戰。
為了獲得具有明確晶體取向的薄膜，東京工業大學的Takao Shimizu，Hiroshi Funakubo及其同事轉向了一種生長方法，該方法在外延膜生長之前尚未嘗試過基於HfO2的材料。然後，他們使用一系列表徵技術 - 包括X射線衍射分析和廣域互易空間映射 - 來確定隨著釔含量增加而晶體結構的變化。他們發現從低對稱階段到高對稱階段的變化通過臨時正交相，隨著釔從-15％取代的氧化釔增加。
進一步的研究證實，這種正交相是鐵電的，並且在高達450℃的溫度下是穩定的。他們總結說：「目前的結果有助于澄清基於HfO2的鐵電材料中鐵電性的性質，以及它在各種器件中的潛在應用。
HfO2的介電常數（高κ）先前已經引起人們對用於諸如動態隨機存取存儲器（DRAM）電容器的電子元件的興趣，並且已經用於器件中的高κ門。結果，它與主導當前電子製造的CMOS處理的兼容性是已知的。
在HfO2薄膜中已經報導了鐵電性質，其中一些鉿離子被不同類型的離子（包括釔，鋁和鑭）以及矽和鋯取代。研究人員研究了用氧化釔YO1.5取代的HfO2薄膜，因為已經在這種材料的薄膜中報導了鐵電性質，在外延生長的薄膜中可以獲得相對於基板的明確的晶體取向，但該方法通常需要高溫。由於傾向於分解成非鐵電相，HfO2通常通過非晶膜的結晶來製備。研究人員使用脈衝雷射沉積製備外延生長的HfO2基薄膜，而不會破壞鐵電相。薄膜在氧化釔穩定的氧化鋯上生長，厚度約為20nm。
HfO2存在於穩定的低對稱單斜相中，其結構類似於具有平行四邊形基底的矩形稜柱。該結構通過亞穩態正交相變為高對稱立方或四方結構相，單斜晶，立方晶和四方晶體結構具有反轉慢速，其排除了鐵電性質。因此研究人員專注於斜方晶系。HfO 2中幾個相的共存進一步使晶體結構的研究複雜化，使得更希望獲得具有明確定義的晶體取向的膜。在目前的工作之前，仍然不清楚基於HfO2的薄膜的外延生長是否可能。
以前的工作使用透射電子顯微鏡和同時收斂的束電子衍射來證實正交相的存在，但由於隨機多晶取向，更詳細的晶體結構分析證明是困難的，利用外延生長的薄膜，研究人員能夠使用X射線衍射分析和廣域相互空間映射測量來識別正交相位。然後，他們使用像差校正環形明場和高角度環形暗場掃描透射電子顯微鏡來確認正交相是鐵電相。