Квантово-механическое моделирование переключения поляризации в кристаллах HfO2

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. 

1. Shaw 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.30.1.263

2. Nuraje N., Su K. Perovskite ferroelectric nanomaterials. Nanoscale. 2013; 5(19): 8752—8780. https://doi.org/10.1039/C3NR02543H

3. Liu H., Yang X. A brief review on perovskite multiferroics. Ferroelectrics. 2017; 507(1): 69—85. https://doi.org/10.1080/00150193.2017.1283171

4. Gao 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.2019.11.001

5. Schroeder 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/s41578-022-00431-2

6. Park 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.2018.175

7. Mikolajick 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.95.136

8. Giannozzi 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/10.1088/0953-8984/21/39/395502

9. Dal Corso A. Pseudopotentials periodic table: From H to Pu. Computational Materials Science. 2014; 95: 337—350. https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2014.07.043

10. Henkelman 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/10.1063/1.1329672

11. Resta R. Polarization as a Berry Phase. Europhysics News. 1997; 28(1): 18—20. https://doi.org/10.1007/s00770-997-0018-4