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凝聚态物理 > 材料科学

arXiv:2501.06754 (cond-mat)
[提交于 2025年1月12日 ]

标题: 无疲劳铁电性在通过界面设计的Hf0.5Zr0.5O2超薄薄膜中

标题: Fatigue-free ferroelectricity in Hf0.5Zr0.5O2 ultrathin films via interfacial design

Authors:Chao Zhou, Yanpeng Feng, Liyang Ma, Haoliang Huang, Yangyang Si, Hailin Wang, Sizhe Huang, Jingxuan Li, Chang-Yang Kuo, Sujit Das, Yunlong Tang, Shi Liu, Zuhuang Chen
摘要: 由于CMOS兼容性和可扩展性,基于HfO2的铁电体是下一代存储器件的有前途的候选材料。 然而,其商业化受到可靠性问题的严重阻碍,其中疲劳是一个主要障碍。 我们报告了在界面设计的Hf0.5Zr0.5O2基异质结构中的无疲劳行为。 构建了一个共格的CeO2-x/Hf0.5Zr0.5O2异质界面,其中CeO2-x作为氧海绵,能够可逆地接受和释放氧空位。 这种设计有效缓解了电极-铁电界面处的缺陷聚集,从而提高了开关特性。 此外,设计了一种对称电容器结构以最小化印记,从而抑制循环引起的定向缺陷漂移。 这两种方法减轻了氧伏安法产生的化学/能量波动,抑制了顺电相的形成和极化退化。 该设计确保了无疲劳特性超过10^11次开关循环,并且Hf0.5Zr0.5O2基电容器的耐久寿命超过10^12次循环,同时还具有优异的温度稳定性和保持性。 这些发现为开发超稳定的铪基铁电器件铺平了道路。
摘要: Due to traits of CMOS compatibility and scalability, HfO2-based ferroelectrics are promising candidates for next-generation memory devices. However, their commercialization has been greatly hindered by reliability issues, with fatigue being a major impediment. We report the fatigue-free behavior in interface-designed Hf0.5Zr0.5O2-based heterostructures. A coherent CeO2-x/Hf0.5Zr0.5O2 heterointerface is constructed, wherein CeO2-x acts as an oxygen sponge, capable of reversibly accepting and releasing oxygen vacancies. This design effectively alleviates defect aggregation at the electrode-ferroelectric interface, enabling improved switching characteristics. Further, a symmetric capacitor architecture is designed to minimize the imprint, thereby suppressing the cycling-induced oriented defect drift. The two-pronged technique mitigates oxygen-voltammetry-generated chemical/energy fluctuations, suppressing the formation of paraelectric phase and polarization degradation. The design ensures a fatigue-free feature exceeding 10^11 switching cycles and an endurance lifetime surpassing 10^12 cycles for Hf0.5Zr0.5O2-based capacitors, along with excellent temperature stability and retention. These findings pave the way for developing ultra-stable hafnia-based ferroelectric devices.
评论: 20页,4图
主题: 材料科学 (cond-mat.mtrl-sci) ; 应用物理 (physics.app-ph)
引用方式: arXiv:2501.06754 [cond-mat.mtrl-sci]
  (或者 arXiv:2501.06754v1 [cond-mat.mtrl-sci] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2501.06754
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI

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来自: Zuhuang Chen [查看电子邮件]
[v1] 星期日, 2025 年 1 月 12 日 08:45:47 UTC (1,474 KB)
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