通过应变调制ZrO2铁电薄膜来实现更优的极化性能

《Science China-Materials》：Strain modulation of ZrO2 ferroelectric thin films for achieving superior polarization

ZrO?薄膜在NSTO基底上通过化学溶液沉积法调控晶向，发现(110)取向下正交相含量最高，2P_r达92.64 μC/cm2，经RC校准后仍保持88.54 μC/cm2，耐循环10?次，XAS证实Zr-O畸变是铁电性的微观机制。

　　

摘要

基于氧化锆（ZrO₂）的氟化物二氧化物铁电材料在非易失性存储逻辑器件方面展现出巨大潜力。与氧化铪（HfO₂）相比，ZrO₂的材料成本更低，且天然储量更为丰富。在本研究中，我们采用化学溶液沉积（CSD）技术在掺铌钛酸锶（NSTO）基底上制备了具有不同晶体取向的铁电ZrO₂薄膜，并系统分析了其结构和铁电性能。通过仿真与实验相结合的方法，我们发现特定取向的NSTO基底上的ZrO₂薄膜中的铁电正交相（o相）能够选择性结晶。其中，NSTO（110）基底上的ZrO₂薄膜具有最高的铁电o相含量，其剩磁极化强度（2P_r）高达92.64 μC/cm²。值得注意的是，即使在经过电阻-电容（RC）延迟校准后，2P_r值仍保持在88.54 μC/cm²的高水平。该器件表现出约10⁷次的循环耐久性，并具有良好的疲劳特性。我们提出了一种新的铁电相调制方法，通过利用基底取向来控制平面内的拉伸应变，从而促进铁电o相的外延生长。此外，X射线吸收光谱（XAS）分析揭示了Zr-O四面体的畸变情况，为理解ZrO₂薄膜的铁电性提供了微观视角。本研究的结果不仅为ZrO₂薄膜的性能调控提供了新策略，也为基于ZrO₂的铁电材料在存储和逻辑器件中的应用提供了可靠的支持。