铁电铪中的非常规压电性

氧化铪薄膜是一类在纳米范围内具有强大铁电性能的迷人材料。尽管铁电行为得到了广泛的研究，但压电效应的结果迄今为止仍然是神秘的

发表在《自然通讯》杂志上的一项新研究表明，铁电Hf0.5Zr0.5O2薄膜中的压电性可以通过电场循环而动态变化。另一个突破性的结果是本征非压电铁电化合物的可能出现。铪的这些非常规特征为微电子和信息技术提供了新的选择

自2011年以来，人们已经知道某些铪氧化物是铁电的；也就是说，它们具有自发的电极化，其方向可以通过施加外部电场而切换到相反的方向。所有铁电体都表现出压电性，并且通常表现出正的纵向压电系数（d33）

这意味着，如果施加的电场与电极化方向相同，则晶体会膨胀。然而，对于铪，研究显示了相互矛盾的结果，不同的铪薄膜在相同的实验条件下膨胀或收缩。此外，铁电极化可以明显地与电场相反地切换，这被称为“异常”切换

由HZB的Catherine Dubourdieu教授博士领导的一项国际合作，首次阐明了这些神秘结果的某些方面，并在哈芬尼亚发现了一种非常规行为。他们使用压电响应力显微镜（PFM）研究了Hf0.5Zr0.5O2（HZO）电容器：导电针在小电压下扫描样品表面，并测量局部压电响应

他们的研究表明，HZO中的压电性不是一个不变的参数，而是一个动态实体，可以在相同的材料中通过电循环等外部刺激来改变

铁电HZO电容器在电场循环时经历压电d33系数符号从正到负的完全均匀反转。铁电电容器的每个位置都经历这样的变化，在适当数量的AC循环中通过零局部压电

密度泛函理论计算表明，初始状态下的正d33是由于亚稳态极性正交相，在交流循环下逐渐演变，朝向具有负d33的完全发展的稳定极性相。

DFT计算不仅提出了d33符号反转的机制，而且预测了一个突破性的结果：实验观察到的本征非压电铁电化合物的可能出现

“由于这些材料中的压电性可以动态变化，甚至在极化保持稳定的情况下被抵消，我们看到了开发具有机电功能的基于HfO2的铁电器件的广阔前景。此外，从根本上讲，非压电铁电化合物的可能性将彻底改变我们对铁电性的看法。”Dubourdieu说