mateltechИзвестия высших учебных заведений. Материалы электронной техникиIzvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Materialy Elektronnoi Tekhniki = Materials of Electronics Engineering1609-35772413-6387MISIS10.17073/1609-3577j.met202309.553mateltech-553Research ArticleМатематическое моделирование в материаловедении электронных компонентовMATHEMATICAL MODELING IN MATERIALS SCIENCE OF ELECTRONIC COMPONENTSКвантово-механическое моделирование переключения поляризации в кристаллах HfO2Quantum mechanical simulation of polarization switching in HfO2 crystalshttps://orcid.org/0000-0002-5059-456XЖуравлевА. А.ZhuravlevA. A.

ул. Вавилова, д. 44, корп. 2, Москва, 119333

Журавлев Андрей Андреевич — младший научный сотрудник

44-2 Vavilova Str., Moscow 119333

Andrey A. Zhuravlev — Junior Researcher

zhuravlyow.andrei@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-0059-0712АбгарянК. К.AbgaryanK. K.

ул. Вавилова, д. 44, корп. 2, Москва, 119333

Абгарян Каринэ Карленовна — доктор физ.-мат. наук, главный научный сотрудник, руководитель отдела

44-2 Vavilova Str., Moscow 119333

Karine K. Abgaryan — Dr. Sci. (Phys.-Math.), Chief Researcher, Head of Department

kristal83@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-0998-7975РевизниковД. Л.ReviznikovD. L.

ул. Вавилова, д. 44, корп. 2, Москва, 119333

Ревизников Дмитрий Леонидович — доктор физ.-мат. наук, профессор, ведущий научный сотрудник

44-2 Vavilova Str., Moscow 119333

Dmitry L. Reviznikov — Dr. Sci. (Phys.-Math.), Professor, Leading Researcher

reviznikov@gmail.comФедеральный исследовательский центр «Информатика и управление» Российской академии наукРоссияFederal Research Center “Computer Science and Control” of the Russian Academy of SciencesRussian Federation202330092023263198203Copyright © Журавлев А.А., Абгарян К.К., Ревизников Д.Л., 20232023Журавлев А.А., Абгарян К.К., Ревизников Д.Л.Zhuravlev A.A., Abgaryan K.K., Reviznikov D.L.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://met.misis.ru/jour/article/view/553

Работа посвящена исследованию процесса изменения поляризации кристаллов оксида гафния в орторомбической фазе, связанного с постепенным ослаблением поляризационных эффектов в FeRAM-элементах на основе тонких пленок оксида гафния HfO2.Для решения задачи проведены квантово-механические расчеты структуры орторомбического оксида гафния, идентифицирован возможный путь перестройки кристалла при смене поляризации при приложении напряжения и произведена его оптимизация с помощью метода эластичной ленты. Получены величины изменения поляризации и энергетический барьер соответствующего перехода. Проведено исследование устойчивости данного перехода. Представлены результаты серии вычислительных экспериментов с применением высокопроизводительных вычислительных систем гибридной архитектуры на базе Центра коллективного пользования Федеральный исследовательский центр «Информатика и управление». Анализ результатов показывает, что, несмотря на невысокий энергетический барьер перехода, вероятность самопроизвольной смены поляризации невелика благодаря невозможности смены поляризации отдельной ячейки без учета влияния поляризаций соседних ячеек. 

The work is devoted to the study of the process of changing the polarization of hafnium oxide crystals in the orthorhombic phase associated with the gradual weakening of the polarization effects in FeRAM elements based on thin films of hafnium oxide HfO2. To solve the problem, quantum-mechanical calculations of the structure of orthorhombic hafnium oxide were carried out, a possible way of crystal rearrangement during a change in polarization upon application of voltage was identified, and its optimization was carried out using the elastic band method. The values of the polarization change and the energy barrier of the corresponding transition are obtained. A study of the stability of this transition has been carried out. The results of a series of computational experiments using high-performance computing systems of hybrid architecture based on the Center for Collective Use of the FRC IU RAS are presented. An analysis of the results shows that, despite the low energy barrier of the transition, the probability of a spontaneous change in polarization is low due to the impossibility of changing the polarization of an individual cell without taking into account the influence of the polarizations of neighboring cells.

оксид гафнияполяризацияэнергетический барьерквантово-механические расчетывысокопроизводительные вычислительные системыметод эластичной лентыоптимизацияhafnium oxidepolarizationenergy barrierquantum mechanical calculationshigh-performance computing systemselastic band methodoptimizationРабота выполнялась с использованием инфраструктуры Центра коллективного пользования «Высокопроизводительные вычисления и большие данные» (ЦКП «Информатика») ФИЦ ИУ РАН (г. Москва). Авторы выражают благодарность д.ф.-м.н., профессору А.Г. Итальянцеву за постановку задачи и постоянные консультации по теме исследования.The research was carried out using the infrastructure of the Shared Research Facilities «High Performance Computing and Big Data» (CKP «Informatics») of FRC CSC RAS (Moscow). The authors are grateful to Dr. Sci. (Phys.-Math.), Prof. A.G. Italiantsev, for setting the problem and constant consultations on the topic of the study.ReferencesShaw T.M., Trolier-McKinstry S., McIntyre P.C. The properties of ferroelectric films at small dimensions. Annual Review of Materials Science. 2000; 30(1): 263—298. https://doi.org/10.1146/annurev.matsci.30.1.263Shaw T.M., Trolier-McKinstry S., McIntyre P.C. The properties of ferroelectric films at small dimensions. Annual Review of Materials Science. 2000; 30(1): 263—298. https://doi.org/10.1146/annurev.matsci.30.1.263Nuraje N., Su K. Perovskite ferroelectric nanomaterials. Nanoscale. 2013; 5(19): 8752—8780. https://doi.org/10.1039/C3NR02543HNuraje N., Su K. Perovskite ferroelectric nanomaterials. Nanoscale. 2013; 5(19): 8752—8780. https://doi.org/10.1039/C3NR02543HLiu H., Yang X. A brief review on perovskite multiferroics. Ferroelectrics. 2017; 507(1): 69—85. https://doi.org/10.1080/00150193.2017.1283171Liu H., Yang X. A brief review on perovskite multiferroics. Ferroelectrics. 2017; 507(1): 69—85. https://doi.org/10.1080/00150193.2017.1283171Gao W., Zhu Y., Wang Y., Yuan G., Liu J.-M. A review of flexible perovskite oxide ferroelectric films and their application. Journal of Materiomics. 2020; 6(1): 1—16. https://doi.org/10.1016/j.jmat.2019.11.001Gao W., Zhu Y., Wang Y., Yuan G., Liu J.-M. A review of flexible perovskite oxide ferroelectric films and their application. Journal of Materiomics. 2020; 6(1): 1—16. https://doi.org/10.1016/j.jmat.2019.11.001Schroeder U., Park M.H., Mikolajick T., Hwang C.S. The fundamentals and applications of ferroelectric HfO2. Nature Reviews Materials. 2022; 7(8): 653—669. https://doi.org/10.1038/s41578-022-00431-2Schroeder U., Park M.H., Mikolajick T., Hwang C.S. The fundamentals and applications of ferroelectric HfO2. Nature Reviews Materials. 2022; 7(8): 653—669. https://doi.org/10.1038/s41578-022-00431-2Park M.H., Lee Y.H., Mikolajick T., Schroeder U., Hwang C.S. Review and perspective on ferroelectric HfO2-based thin films for memory applications. MRS Communications. 2018; 8(3): 795—808. https://doi.org/10.1557/mrc.2018.175Park M.H., Lee Y.H., Mikolajick T., Schroeder U., Hwang C.S. Review and perspective on ferroelectric HfO2-based thin films for memory applications. MRS Communications. 2018; 8(3): 795—808. https://doi.org/10.1557/mrc.2018.175Mikolajick T., Müller S., Schenk T., Yurchuk E., Slesazeck S., Schröder U., Dünkel S., van Bentum R., Kolodinski S., Polakowski P., Müller J. Doped hafnium oxide — an enabler for ferroelectric field effect transistors. Advances in Science and Technology. 2014; 95: 136—145. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/ast.95.136Mikolajick T., Müller S., Schenk T., Yurchuk E., Slesazeck S., Schröder U., Dünkel S., van Bentum R., Kolodinski S., Polakowski P., Müller J. Doped hafnium oxide — an enabler for ferroelectric field effect transistors. Advances in Science and Technology. 2014; 95: 136—145. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/ast.95.136Giannozzi P., Baroni S., Bonini N., Calandra M., Car R., Cavazzoni C., Ceresoli D., Chiarotti G.L., Cococcioni M., Dabo I., Dal Corso A., Fabris S., Fratesi G., de Gironcoli S., Gebauer R., Gerstmann U., Gougoussis C., Kokalj A., Lazzeri M., Martin-Samos L., Marzari N., Mauri F., Mazzarello R., Paolini S., Pasquarello A., Paulatto L., Sbraccia C., Scandolo S., Sclauzero G., Seitsonen A.P., Smogunov A., Umari P., Wentzcovitch R.M. Quantum ESPRESSO: a modular and open-source software project for quantum simulations of materials. Journal of Physics: Condensed Matter. 2009; 21(39): 395502. https://doi.org/10.1088/0953-8984/21/39/395502Giannozzi P., Baroni S., Bonini N., Calandra M., Car R., Cavazzoni C., Ceresoli D., Chiarotti G.L., Cococcioni M., Dabo I., Dal Corso A., Fabris S., Fratesi G., de Gironcoli S., Gebauer R., Gerstmann U., Gougoussis C., Kokalj A., Lazzeri M., Martin-Samos L., Marzari N., Mauri F., Mazzarello R., Paolini S., Pasquarello A., Paulatto L., Sbraccia C., Scandolo S., Sclauzero G., Seitsonen A.P., Smogunov A., Umari P., Wentzcovitch R.M. Quantum ESPRESSO: a modular and open-source software project for quantum simulations of materials. Journal of Physics: Condensed Matter. 2009; 21(39): 395502. https://doi.org/10.1088/0953-8984/21/39/395502Dal Corso A. Pseudopotentials periodic table: From H to Pu. Computational Materials Science. 2014; 95: 337—350. https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2014.07.043Dal Corso A. Pseudopotentials periodic table: From H to Pu. Computational Materials Science. 2014; 95: 337—350. https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2014.07.043Henkelman G., Uberuaga B.P., Jónsson H. A climbing image nudged elastic band method for finding saddle points and minimum energy paths. The Journal of Chemical Physics. 2000; 113(22): 9901—9904. https://doi.org/10.1063/1.1329672Henkelman G., Uberuaga B.P., Jónsson H. A climbing image nudged elastic band method for finding saddle points and minimum energy paths. The Journal of Chemical Physics. 2000; 113(22): 9901—9904. https://doi.org/10.1063/1.1329672Resta R. Polarization as a Berry Phase. Europhysics News. 1997; 28(1): 18—20. https://doi.org/10.1007/s00770-997-0018-4Resta R. Polarization as a Berry Phase. Europhysics News. 1997; 28(1): 18—20. https://doi.org/10.1007/s00770-997-0018-4

The authors declare that there are no conflicts of interest present.