[논문 리뷰] "Double-path" ferroelectrics and the sign of the piezoelectric response

Yubo Qi, Sebastian E. Reyes‐Lillo외 1명|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 14.

Theoretical and Computational Physics인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 두 가지 경쟁적인 극성 전환 경로를 가진 물질인 '더블패스' 페로일렉트릭스를 소개한다. 이러한 경로는 극성 변화의 부호가 반대가 되게 한다. 1차원 계산을 통해 저자들은 히스뮴 산화물(HfO₂)에서 압전 반응의 부호가 어느 전환 경로가 지배하는지에 따라 달라지며, 이는 이론 예측(압전 반응이 음수)과 실험 관측(양수 반응) 사이의 오랫동안 지속된 모순을 설명한다. 또한 외부 조건 제어나 조성 조절을 통해 압전 성질을 조절 가능하게 한다.

ABSTRACT

In this work, we propose a class of ferroelectrics (which we denote "double-path" ferroelectrics), characterized by two competing polarization switching paths for which the change in polarization is different and in fact of opposite sign. Depending on which path is favorable under given conditions, this leads to different identification of up- and down-polarized states. Since the sign of piezoelectric response depends on the assignment of up- or down-polarized state for a specific structure, this means that the material can exhibit different signs of the piezoelectric response under different conditions. We focus on HfO$_2$ as a key example. Our first-principles calculations show that there are two competing paths in HfO$_2$, resulting from different displacements of the atoms from the initial to the final structures, and the change in polarization along these two paths is of opposite sign. These results provide a natural explanation for the recently observed discrepancy in the signs of piezoelectric responses in HfO$_2$ between theoretical first-principles calculations and experimental observation. Further, this allows predictions of how to favor one path over another by changes in conditions and compositional tuning. This family of materials also includes other candidates, such as CuInP$_2$S$_6$ and theoretically proposed LaVO$_3$-SrVO$_3$ superlattice. We finally note that double-path ferroelectrics possess novel electromechanical properties since the signs of their piezoelectric responses can be switched.

연구 동기 및 목표

• 히스뮴 산화물(HfO₂)에서 이론적 예측이 음수인 압전 반응을, 실험적으로는 항상 양수로 관측하는 데 기인한 지속적인 불일치를 해결하기 위해.
• 두 경쟁적인 전환 경로가 극성 변화의 부호가 반대가 되는 '더블패스' 페로일렉트릭스라는 새로운 페로일렉트릭스 종류를 규명하기 위해.
• 대칭성만이 아니라 지배적인 전환 경로에 기반해 상하 극성 상태를 통합적으로 할당할 수 있는 프레임워크를 제공하기 위해.
• 외부 조건 및 조성 조절을 통해 압전 반응의 부호를 제어할 수 있도록 하기 위해.
• 압전 히스테리시스 루프 형상과 함께 이론-실험 융합 방법을 제안하여 선호되는 전환 경로를 규명하기 위해.

제안 방법

• 히스뮴 산화물(HfO₂), 구인인산화구리(CuInP₂S₆), 라바늄바나듐산화물-스트리아트바나듐산화물(LaVO₃-SrVO₃) 슈퍼레이어에서 경쟁적인 전환 경로를 따라 에너지 프로파일과 극성 변화를 계산하기 위해 1차원 밀도함수이론(DFT) 계산을 사용한다.
• 각 경로를 따라 초기 상태와 최종 상태 사이의 매크로스코픽 극성의 차이로서 극성 변화를 계산하며, 이는 이온 이동 방향에 의해 부호가 결정된다.
• 에너지 장벽 높이가 아니라 각 경로를 따라 에너지 프로파일의 최대 기울기를 기준으로 경로 선호도를 결정한다.
• 이론-실험 융합 접근법을 제안한다: 첫 번째 원리 계산으로 예측한 압전 계수를 실험적으로 측정한 버터플라이 히스테리시스 루프 형상과 비교하여 상하 상태를 모호함 없이 할당한다.
• 구조 분석을 통해 두 경로에서 서로 다른 원자 이동 패턴을 규명하였으며, 초기 및 최종 상태는 동일하지만 중간 상태의 이온 궤적은 다르다.
• 극성의 양자 단위를 기준으로 사용하여, 두 경로를 따라 극성 변화가 정수 배수로 다를 뿐 아니라 부호가 반대임을 확인한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 왜 이론적 계산은 히스뮴 산화물(HfO₂)에서 음수인 압전 반응을 예측하지만, 실험적으로는 항상 양수인 반응을 관측하는가?
• RQ2 경쟁적인 전환 경로로 인해 페로일렉트릭스에서 압전 반응의 부호를 조건적으로 뒤바꿀 수 있는가?
• RQ3 다양한 전환 경로가 존재하고 극성 변화 부호가 반대일 경우, 상-하 극성 상태는 어떻게 할당해야 하는가?
• RQ4 더블패스 페로일렉트릭스에서 선호되는 전환 경로를 결정하는 물리적 기준은 에너지 장벽 높이인지, 최대 기울기인지?
• RQ5 외부 매개변수(예: 변형 또는 도핑)를 통해 경쟁적인 전환 경로를 가진 물질에서 압전 부호를 조절할 수 있는가?

주요 결과

• 히스뮴 산화물(HfO₂)에는 극성 변화 부호가 반대인 두 가지 경쟁적인 전환 경로가 존재하며, 이는 압전 반응 부호에 대한 이론-실험 불일치를 설명한다.
• 상-하 극성 상태의 할당은 대칭성만이 아니라 지배적인 전환 경로에 따라 달라진다.
• 더블패스 페로일렉트릭스에서 선호되는 전환 경로는 에너지 장벽 높이가 아니라 에너지 프로파일의 최대 기울기로 결정된다.
• 첫 번째 원리 계산에서는 극성 변화 부호가 반대인 경로가 지배할 경우, 히스뮴 산화물(HfO₂)의 압전 계수는 음수가 예측되며, 이는 이론적 기대와 일치한다.
• 실험적으로 관측된 양수의 버터플라이 히스테리시스 루프는 대부분의 히스뮴 산화물(HfO₂) 샘플에서 양수의 압전 반응을 갖는 경로가 실제 전환 경로임을 시사한다.
• 더블패스 페로일렉트릭스의 가족에는 히스뮴 산화물(HfO₂), 구인인산화구리(CuInP₂S₆), 라바늄바나듐산화물-스트리아트바나듐산화물(LaVO₃-SrVO₃) 슈퍼레이어가 포함되며, 외부 제어를 통해 압전 반응 부호를 조절 가능하다.