一个国际研究小组发现，外部电循环可以动态改变Hf0.5Zr0.5O2电容器的压电特性，从而导致压电效应符号的反转。这一发现得到了密度泛函理论的支持，表明了创造非压电铁电化合物的可能性，为开发先进的铁电hfo2基器件开辟了新的途径。来源:SciTechDaily.com

　　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性能。虽然铁电行为被广泛研究，但压电效应的结果迄今为止仍然是神秘的。一项新的研究表明，铁电Hf中的压电性0.5Zr0.5O2电场循环可以使薄膜发生动态变化。另一个突破性的结果是可能出现的本征非压电铁电化合物。这些奇怪的人hafnia的传统特性为微电子应用提供了新的选择网卡和信息技术。

　　自2011年以来，人们已经知道某些铪氧化物是铁电的，也就是说，它们具有自发的电极化，其方向可以在外加电场的作用下切换到相反的方向。所有铁电体都表现出压电性，大多数情况下，纵向压电系数为正(d33)。这意味着如果外加电场与电极化方向相同，晶体就会膨胀。

　　然而，对于hafnia，研究显示出相互矛盾的结果，在相同的实验条件下，不同的hafnia薄膜会膨胀或收缩。此外，铁电极化可以明显地与电场反向开关，这被称为“异常”开关。

　　结果是:极化和电场指向同一个方向。当d33为正时，样品膨胀，而当d33为负时，材料收缩。来源:Laura Canil

　　奇怪的人常规行为调查

　　由Catherine Dubourdieu教授(HZB)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hafnia的一种非常规行为。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。

　　切换压电

　　他们的研究表明，压电性在HZO中不是一个不变的参数，而是一个动态的实体，在相同的材料中，通过外部刺激(如电循环)可以改变。在电场循环时，铁电HZO电容器经历了压电d33系数符号从正到负的完全均匀反转。在适当的交流循环次数下，铁电电容器的每一个位置都经历这种通过零局部压电的变化。

　　W/HZO/W电容器的PFM相位图像。原始样品显示为正的压电系数(左)。在超过8000次的交流电场循环之后，压电系数已经改变了它的符号并且是负的(右)。两幅图像的偏振方向都是向下的。信贷:HZB

　　新选择:无压电的铁电材料

　　密度泛函理论计算表明，初始态的正d33是由于一个亚稳定的极性正交相，在交流循环下逐渐演变为具有负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，而且预测了一个突破性的结果:实验观察到的本征非压电铁电化合物的可能出现。

　　新的应用程序

　　“这是第一次，我们已经能够在实验中观察到在施加交流电场的情况下，这些铪氧化锆铁电体电容器的整个区域的压电效应的符号反转，”凯瑟琳·杜布迪厄说。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，甚至在极化保持强劲的情况下被消除，我们看到了开发具有机电功能的铁电hfo2基器件的美好前景。此外，从基本的角度来看，非压电铁电化合物的可能性将彻底改变我们对铁电性的看法，”凯瑟琳·迪布迪厄说。

　　参考文献:“铁电体Hf0.5Zr0.5O2中压电性的电诱导对消和反演”，作者:Lu Haidong, Dong-Jik Kim, Hugo Aramberri, Marco Holzer, Pratyush Buragohain, Sangita Dutta, Uwe Schroeder, Veeresh Deshpande, Jorge í?iguez, Alexei Gruverman和Catherine Dubourdieu, 2024年1月29日，Nature Communications。DOI: 10.1038 / s41467 - 024 - 44690 - 9