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Percer les secrets de la piézoélectricité dynamique dans la Hafnia ferroélectrique

SciTechDaily

Une équipe de recherche internationale a découvert que les propriétés piézoélectriques du Hf0,5Zr0,5Ô2 les condensateurs peuvent être modifiés dynamiquement par un cycle électrique externe, conduisant à l’inversion du signe de l’effet piézoélectrique. Cette révélation, étayée par la théorie fonctionnelle de la densité, suggère la possibilité de créer des composés ferroélectriques non piézoélectriques, ouvrant ainsi de nouvelles voies pour le développement de dispositifs ferroélectriques avancés à base de HfO2. Crédit : Issues.fr.com

Les films minces d’oxyde de hafnium constituent une classe fascinante de matériaux dotés de propriétés ferroélectriques robustes dans la gamme nanométrique. Bien que le comportement ferroélectrique soit largement étudié, les résultats sur les effets piézoélectriques sont jusqu’à présent restés mystérieux. Une nouvelle étude montre désormais que la piézoélectricité du Hf ferroélectrique0,5Zr0,5Ô2 les films minces peuvent être modifiés dynamiquement par le cycle du champ électrique. Un autre résultat révolutionnaire est l’apparition possible d’un composé ferroélectrique non piézoélectrique intrinsèque. Ces fonctionnalités non conventionnelles de Hafnia offrent de nouvelles options d’utilisation en microélectronique et en technologie de l’information.

Depuis 2011, on sait que certains oxydes de hafnium sont ferroélectriques, c’est-à-dire qu’ils possèdent une polarisation électrique spontanée dont le sens peut être inversé en appliquant un champ électrique externe. Tous les ferroélectriques présentent une piézoélectricité et, le plus souvent, un coefficient piézoélectrique longitudinal positif (d33). Cela signifie que le cristal se dilate si le champ électrique appliqué est dans la même direction que la polarisation électrique.

Cependant, pour l’hafnia, les études ont montré des résultats contradictoires, différents films d’hafnia se dilatant ou se contractant dans les mêmes conditions expérimentales. De plus, la polarisation ferroélectrique peut apparemment basculer à l’encontre du champ électrique, ce que l’on appelle une commutation « anormale ».

Piézoélectricité non conventionnelle dans la Hafnia ferroélectrique

L’effet : la polarisation et le champ électrique pointent dans la même direction. Avec d33 positif, l’échantillon se dilate, alors que le matériau se contracte lorsque d33 est négatif. Crédit : Laura Canil

Comportement non conventionnel étudié

Une collaboration internationale dirigée par le professeur Catherine Dubourdieu, HZB, a élucidé pour la première fois certains aspects de ces résultats mystérieux et découvert un comportement non conventionnel chez hafnia. Ils ont enquêté sur Hf0,5Zr0,5Ô2 (HZO) utilisant la microscopie à force de réponse piézoélectrique (PFM) : une aiguille conductrice scanne la surface de l’échantillon sous une faible tension électrique et mesure la réponse piézoélectrique locale.

Commutation de la piézoélectricité

Leur étude a révélé que la piézoélectricité dans HZO n’est pas un paramètre invariable mais une entité dynamique qui peut être modifiée, dans le même matériau, par un stimulus externe tel qu’un cycle électrique. Til ferroélectrique Les condensateurs HZO subissent une inversion uniforme complète du d piézoélectrique33 signe du coefficient, du positif au négatif, lors du cycle du champ électrique. Chaque emplacement du condensateur ferroélectrique subit un tel changement passant par une piézoélectricité locale nulle lors d’un nombre approprié de cycles alternatifs.

Images de phase PFM d'un condensateur W/HZO/W

Images de phase PFM d’un condensateur W/HZO/W. L’échantillon vierge présente un coefficient piézoélectrique positif (à gauche). Après plus de 8000 cycles de champ électrique alternatif, le coefficient piézoélectrique a changé de signe et est négatif (à droite). La polarisation pointe vers le bas dans les deux images. Crédit : HZB

Nouvelle option : matériaux ferroélectriques sans piézoélectricité

Les calculs de la théorie fonctionnelle de la densité suggèrent que le d positif33 dans l’état initial est dû à une phase orthorhombique polaire métastable qui évolue progressivement, sous ac cycle, vers la phase polaire stable pleinement développée avec d négatif33. Les calculs DFT non seulement suggérer un mécanisme pour le d33 inversion de signe, mais prédisent également un résultat révolutionnaire : l’apparition possible d’un composé ferroélectrique non piézoélectrique intrinsèque, observé expérimentalement.

Nouvelles applications

« Pour la première fois, nous avons pu observer expérimentalement une inversion de signe de l’effet piézoélectrique dans toute la zone d’un condensateur dans ces ferroélectriques en Hafnia Zircone sous champ électrique alternatif appliqué », déclare Catherine Dubourdieu. Cette découverte présente un énorme potentiel d’applications technologiques.

« Comme la piézoélectricité de ces matériaux peut être modifiée de manière dynamique et même annulée tandis que la polarisation reste robuste, nous voyons des perspectives fantastiques pour le développement de HfO ferroélectrique.2-appareils dotés de fonctionnalités électromécaniques. De plus, d’un point de vue fondamental, la possibilité d’un composé ferroélectrique non piézoélectrique révolutionnerait notre vision de la ferroélectricité », estime Catherine Dubourdieu.

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