Физики наблюдали сегнетоэлектрические домены площадью менее 1 нм² в пленках ZrO₂

Исследователи из Вашингтонского университета в Сент-Луисе, Университета Небраски в Линкольне и ряда партнерских центров зафиксировали сегнетоэлектрические домены с площадью сечения менее 1 нм² в тонких пленках диоксида циркония (ZrO₂), о чем они сообщили в журнале Advanced Materials wiley.comAdvanced Materialswiley.comОткрыть источник ↗. Работа подтверждает возможность существования стабильной поляризации на масштабах элементарной ячейки.

Сегнетоэлектрики со структурой флюорита (ZrO₂ и HfO₂) обладают плоскими фононными зонами, которые сжимают полярные домены в латеральном направлении до неделимой ширины половины элементарной ячейки (0,27 нм). При помощи просвечивающей электронной микроскопии авторы выявили дискретные вертикальные цепочки диполей, ограниченные заряженными 180-градусными стенками типа «голова к голове» (HH) и «хвост к хвосту» (TT). Эти заряженные границы сжимают домены по вертикали до толщины 1–2,75 нм, формируя планарные домены площадью менее 1 нм².

Механизм стабилизации границ

Формирование стенок HH и TT обусловлено плоскими продольными оптическими (LO) полярными зонами. Электростатическая стабильность границ HH обеспечивается компенсацией связанного заряда межузельными атомами кислорода, выступающими в роли естественных структурных дефектов. Моделирование показало, что сформированные границы обладают собственной проводимостью.

Энергетические барьеры движения

Расчеты авторов показали сверхнизкие энергетические барьеры смещения доменных стенок wiley.comAdvanced Materialswiley.comОткрыть источник ↗. Для стенок типа HH барьер составил 1,6 мэВ, что делает их существенно подвижнее стенок TT с барьером 22,3 мэВ. Ученые отметили, что высокая подвижность и проводимость таких структурных границ открывает возможность их применения в низковольтной наноэлектронике и ячейках энергонезависимой памяти высокой плотности.