[論文レビュー] Atomic Structure of Domain and Interphase Boundaries in Ferroelectric HfO$_2$

Everett D. Grimley, Tony Schenk+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 23, 2017

Ferroelectric and Negative Capacitance Devices参考文献 27被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、歪み補正付き走査型透過電子顕微鏡（STEM）を用いて、鉄電性GdドープHfO₂薄膜内のドメインおよび相界面境界の原子スケール構造を明らかにした。共格性を持つ正方晶／モノクロリック相界面境界および正方晶ドメイン壁の同定により、これらの境界におけるひずみが相の安定化に寄与する可能性があり、外部電界下での移動性が、スイッチングおよびナノスケールデバイスにおける疲労耐性の鍵をなす相転移を可能にすることが示された。

ABSTRACT

Though the electrical responses of the various polymorphs found in ferroelectric polycrystalline thin film HfO$_2$ are now well characterized, little is currently understood of this novel material's grain sub-structure. In particular, the formation of domain and phase boundaries requires investigation to better understand phase stabilization, switching, and interconversion. Here, we apply scanning transmission electron microscopy to investigate the atomic structure of boundaries in these materials. In particular, we find orthorhombic/orthorhombic domain walls and coherent orthorhombic/monoclinic interphase boundaries formed throughout individual grains. The results inform how interphase boundaries can impose strain conditions that may be key to phase stabilization. Moreover, the atomic structure near interphase boundary walls suggests potential for their mobility under bias, which has been speculated to occur in perovskite morphotropic phase boundary systems by mechanisms similar to domain boundary motion.

研究の動機と目的

• 多結晶鉄電性HfO₂薄膜内のドメインおよび相界面境界の原子スケール構造を理解すること。
• 特に相界面およびドメイン壁を含む内部界面が、相の安定性および電気的応答に与える影響を調査すること。
• 界面付近におけるひずみおよび構造的歪みが、相転移を促進する役割を果たすメカニズムを明らかにすること。
• 外部電界下における相界面境界の移動性が、ペロブスカイト系鉄電体におけるドメイン壁の運動に類似しているかどうかを検討すること。
• HfO₂ベースの鉄電メモリのスイッチング挙動のモデリングおよびデバイス安定性の向上に寄与する原子レベルの知見を提供すること。

提案手法

• 200 kVで走査型透過電子顕微鏡（STEM）を用い、高角度アンギュラー・ダークフィールド（HAADF）像を取得。
• スキャン歪みを補正するため、2つのフレーム間で90°回転を施した再構成STEM（RevSTEM）像を取得。
• MATLABを用いた2次元ガウスフィッティングによる原子列位置の分析により、正確な原子配置を特定。
• 実験条件を文献の構造データと一致させ、MBFITパッケージを用いてPACBED（前進電子回折）パターンのシミュレーションを実施。
• 電場サイクリング処理を施したおよび未処理のHfO₂キャパシタから作成したスライスを用い、電気的履歴に伴う構造的変化を比較。
• 先行研究（文献40, 52, 53, 11）で得られた構造パラメータを用いて、正確なシミュレーションと比較を実施。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 鉄電性GdドープHfO₂薄膜におけるドメインおよび相界面境界の原子構造は何か？
• RQ2 モノクロリック相と正方晶相の間の相界面境界はどのように形成され、どのような構造的特徴がそれらを安定化させるか？
• RQ3 相界面境界付近のひずみ場が、相の安定性および転移経路にどの程度影響を及えるか？
• RQ4 外部電界下で相界面境界が、ペロブスカイト系鉄電体におけるドメイン壁の運動に類似した移動性を示す可能性はあるか？
• RQ5 電場サイクリング履歴が、正方晶ドメイン壁の形成および整列に与える影響は何か？

主な発見

• 個々の結晶粒内に共格性を持つ正方晶／モノクロリック相界面境界が直接観察され、局所的な相共存を示した。
• 正方晶ドメイン壁が同定され、電場サイクリング履歴と相関づけられ、サイクリングがドメインの整列を促進し、残留分極を増大させることを示唆した。
• 正方晶相とモノクロリック相の構造的類似性のため、一方の相における欠陥と他方の相における通常の構造を区別することが困難である。
• 相界面境界付近のひずみ場は、正方晶相とモノクロリック相の間で連続的（コンtinuum-like）な遷移が生じうることを示唆し、転移障壁の低減に寄与する可能性がある。
• 境界付近の歪みの存在は、外部電界下での移動性の可能性を示唆しており、逆転可能な相転移を可能にする要因となる可能性がある。
• 電極や周囲の結晶粒からの幾何的制約が、一部の相界面境界を不動化させ、より高い対称性の相を固定化する要因となっている可能性がある。