[論文レビュー] Polarization switching mechanism in HfO$_2$ from first-principles lattice mode analysis

Yubo Qi, Sobhit Singh+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 28, 2021

Ferroelectric and Negative Capacitance Devices被引用数 6

ひとこと要約

本研究は、HfO₂における極性反転が、結合した極性モード（Γ₁₅ᶻ）と反極性モード（X₂⁻）によって支配されることを明らかにした。ここで、非極性のX₂⁻モードの反転は、電場制御に不適合な高いエネルギー障壁を引き起こす。この分析により、遅いドメイン壁移動および反極性Pbca相から極性Pca2₁相への電場誘起転移が不可能であることが説明される。

ABSTRACT

In this work, we carry out first-principles calculations and lattice mode analysis to investigate the polarization switching mechanism in HfO$_2$. Because the stability of the polar orthorhombic $Pca2_1$ phase of HfO$_2$ arises from a trilinear coupling, polarization switching requires the flipping of not only the polar $Γ_{15}^Z$ mode, but also at least one zone-boundary anti-polar mode. The coupling between the polar and anti-polar modes thus leads to substantial differences among different polarization switching paths. Specifically, our lattice-mode-coupling analysis shows that paths in which the $X_2^-$ mode is reversed involve a large activation energy, which because the $X_2^-$ mode is nonpolar cannot be directly overcome by applying an electric field. Our results show that the anti-polar $Pbca$ phase, whose structure is locally quite similar to that of the $Pca2_1$ phase, similarly cannot be transformed to this phase by an electric field as this would require local reversal of the $X_2^-$ mode pattern. Moreover, for the domain wall structure most widely considered, propagation also requires the reversal of the $X_2^-$ mode, leading to a much larger activation energy compared with that for the propagation of domain wall structures with a single sign for the $X_2^-$ mode. Finally, these first-principles results for domain wall propagation in HfO$_2$ have implications to many experimental observations, such as sluggish domain wall motion and robust ferroelectricity in thin films, and lattice mode analysis deepens our understanding of these distinctive properties of ferroelectric HfO$_2$.

研究の動機と目的

• 実験的観察を越えて、HfO₂における内在的極性反転メカニズムを理解すること。
• 薄膜において観察される頑健なフェロエレクトリシティと遅いドメイン壁移動の間にある矛盾を解消すること。
• なぜ反極性Pbca相が電場によって極性Pca2₁相に転移できないかを特定すること。
• 格子モードの結合が、異なる反転経路における活性化エネルギーを決定する役割を特定すること。
• X₂⁻モードの符号の一貫性に基づく、ドメイン壁伝播経路間のエネルギー差を説明すること。

提案手法

• HfO₂多形の電子的および構造的性質をモデル化するために、第一原理的密度汎関数理論（DFT）計算が実施された。
• 格子モード解析を用いて、原子の歪みを対称性に適合した正規モードに分解し、Γ₁₅ᶻ（極性）およびX₂⁻（反極性）モードを同定した。
• Γ₁₅ᶻモードとX₂⁻モードの三重項結合を分析することで、極性Pca2₁相の安定性および反転経路を特定した。
• ドメイン壁の異なる極性変種間の伝播における最小エネルギー経路を計算するために、なめらかに曲げられた弾性バンド（NEB）法が適用された。
• 隣接する単位格子におけるX₂⁻モード振幅の符号を用いて、ドメイン壁を2つのカテゴリに分類した：符号一貫性あり（タイプI）または符号反転あり（タイプIII/IV）。
• 遷移状態エネルギーを初期状態および最終状態と比較することで、反転およびドメイン壁移動のエネルギー障壁を定量化した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 反極性X₂⁻格子モードは、HfO₂における極性反転にどのような役割を果たすか？
• RQ2 なぜ反極性Pbca相が電場によって極性Pca2₁相に転移できないのか？
• RQ3 X₂⁻モードの符号は、ドメイン壁伝播の活性化エネルギーにどのように影響するか？
• RQ4 なぜHfO₂におけるドメイン壁移動は、従来のペロブスカイトフェロエレクトリクスと比べて著しく遅いのか？
• RQ5 HfO₂における異なる極性反転経路の間でエネルギー的優位性が決定される要因は何か？

主な発見

• HfO₂における極性反転には、極性Γ₁₅ᶻモードと少なくとも1つの反極性X₂⁻モードの同時反転が必要である。
• X₂⁻モードはその非極性性のため、電場によって直接反転できないため、高い活性化エネルギー障壁が生じる。
• X₂⁻モード符号が一貫する（タイプI）ドメイン壁伝播は0.12 eV/cellの低い活性化エネルギーを示すが、符号反転する壁（タイプIII/IV）は0.57–1.02 eV/cellを要する。
• 符号反転ドメイン壁の最高エネルギー遷移状態は、X₂⁻モードパターンに急激な符号変化を示す高エネルギーt型構造に対応する。
• 反極性Pbca相が電場によって極性Pca2₁相に反転できないのは、隣接するセルでX₂⁻モードの符号が逆になる必要があるためである。
• 最も広く研究されている構造（X₂⁻符号反転を伴う）におけるドメイン壁移動の高い活性化エネルギーは、実験的に観察された遅いドメイン壁ダイナミクスを説明する。