The Interplay Between Imprint, Wake-Up Like Effects and Domains in Ferroelectric AlScN
本文通过I-V、P-E测量和SEM结构分析，揭示铁电AlScN中固有印记与小回线共同导致类唤醒效应，并阐明初始畴通过畴壁运动降低矫顽场的机制。
2023-10-26 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Epitaxial Ferroelectric La-doped Hf0.5Zr0.5O2 Thin Films
在铁电体Hf0.5Zr0.5O2中掺杂La是提高铁电体耐久性的一条很有前途的途径。然而，La对多晶膜的耐久性的有益影响可能伴随着保持力的下降。我们研究了掺镧外延薄膜的耐久性保持困境。与未掺杂的外延膜相比，在更宽的厚度范围内获得了大的极化值，而矫顽场是相似的，并且漏电流大幅降低。与多晶掺La薄膜相比，外延掺La薄膜表现出更强的疲劳性，但没有明显的唤醒效应和阻容保持困境。持久的唤醒效应常见的多晶La掺杂Hf0.5Zr0.5O2薄膜，是有限的几个周期，在外延膜。尽管疲劳，在外延镧掺杂薄膜的耐久性是超过1010个周期，这种良好的性能是伴随着超过10年的优秀保留。这些结果表明，唤醒效应和磁阻保持的困境是不是本征在La掺杂的Hf0.5Zr0.5O2。
2020-10-28 cond-mat.mtrl-sci
Ferroelectric HfO$_2$-ZrO$_2$ multilayers with reduced wake-up
本研究通过溶液法制备了50纳米厚的HfO₂-ZrO₂多层膜，实现了铁电性，剩余极化达9 μC/cm²，并因多层界面增强了击穿强度而加速唤醒，为厚铁电氧化铪薄膜提供了更快的唤醒机制。
2025-03-29 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Designing wake-up free ferroelectric capacitors based on the $\mathrm{HfO_2/ZrO_2}$ superlattice structure
针对铪基铁电电容器的唤醒问题，提出从Pt/ZrO₂界面侧加热的单向退火法制备HZO超晶格铁电电容器，实现无唤醒特性与27.4μC/cm²的2Pᵣ，该方法也适用于其他铪基铁电器件。
2022-06-29 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Effect of Annealing Temperature on Minimum Domain Size of Ferroelectric Hafnia
在这里，我们优化了HZO/TiN薄膜异质结构的退火温度，通过多尺度分析的剩余极化，晶相，最小铁电畴尺寸，和平均晶粒尺寸。我们发现，剩余极化是密切相关的正交相的相对量，而最小的畴大小是单斜相的相对量。退火温度为500 $^\cird$ C时，样品的电畴尺寸最小;退火温度为600 $^\circ$ C时，样品的剩余极化和电容最大。我们得出结论，考虑到在纳米铁电器件中可切换极化的保持和疲劳，最小畴尺寸比剩余极化的绝对值更重要。我们的研究结果有望有助于超低功耗逻辑晶体管和下一代非易失性存储器件的发展。
2023-01-13 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Subcoercive and multilevel ferroelastic remnant states with resistive readout
铁电器件使用它们的电极化的强度铁电顺序作为存储器应用的开关和存储物理量。然而，应用程序需要额外的内置物理量和存储器范例。我们建议利用铁电体的多铁性，利用铁弹性来产生残余应变，通过逆压电手段对材料施加应力后持续存在。虽然需要大的电场来切换极化，但这里写入发生在亚矫顽低得多的场值下，这可以有效地压印多个残余应变状态。一个原理验证设备，与最简单的和非优化的电阻应变检测设计，在这里展示了13个记忆状态的高再现性和可靠性。在低功耗和有限的设备疲劳的相关优势，使我们的方法相关的应用。
2014-06-13 cond-mat.mtrl-sci
Extrinsic ferroelectricity originated from oxygen vacancy drift in HfO2-based films
人们普遍认为，氧空位在HfO 2基材料的铁电性中起着核心作用，但其内在机制仍然是难以捉摸的。在这里，从基本的表征电路，我们提出，所观察到的铁电性是外在的。一个关键的发现是，带电的氧空位在重复的电脉冲下在样品内振荡，产生非线性电流，其行为类似于正常铁电体的极化电流。这个不需要的电流信号导致了一个类似铁电体的磁滞回线，剩余极化和矫顽场都与实验值很好地吻合，假设带电氧空位浓度在1*10^20/cm ^3附近。此外，可以利用这种机制来再现唤醒、分裂和有限耐力的效果，这些效果对于设备应用至关重要。
2021-12-26 cond-mat.mtrl-sci
Observation of giant remnant polarization in ultrathin AlScN at cryogenic temperatures
本研究在12 K下发现10 nm AlScN薄膜具有超过250 μC/cm²的巨剩余极化，为已知铁电体的两倍以上，且耐13 MV/cm高场并稳定开关逾10^4次，确立了纤锌矿铁电体在低温非易失存储和量子技术中的独特地位。
2025-03-25 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Ferroelectricity in epitaxially strained rhombohedral ZrO2 thin films
在过去的十年中，氧化锆和氧化铈基薄膜由于其在纳米尺度下的出乎意料的铁电行为而引起了极大的关注，这有助于铁电器件的缩小。采用离子束溅射法在（111）- Nb：SrTiO 3基片上制备了一种新型的铁电菱面体相ZrO 2薄膜。结构和铁电特性表明，（111）取向的ZrO 2薄膜处于外延压应变下，具有可切换的铁电极化，其矫顽场为1.5 MV/cm，极化强度约为20.2 μC/cm 2。此外，Nb：STO/ZrO 2/Au薄膜电容器的极化反转特性随时间的变化呈现钟形曲线，这是与畴反转相关的铁电薄膜的典型特征。估计的激活场与从极化-电场磁滞回线获得的矫顽场相当。有趣的是，所研究的薄膜本身显示出铁电行为，即，不需要施加唤醒循环，该唤醒循环对于在ZrO 2的常规（正交）铁电相中诱导铁电性是必不可少的。因此，目前的薄膜有一个技术优势，以前研究的铁电ZrO 2薄膜，并可能是有吸引力的纳米铁电器件。
2020-11-05 cond-mat.mtrl-sci
A rhombohedral ferroelectric phase in epitaxially-strained Hf0.5Zr0.5O2 thin films
经过几十年的研究，可以集成到下一代存储器和逻辑器件的鲁棒纳米级铁电性，基于氧化物的薄膜已经成为最终的候选者，因为它们的铁电（FE）极化随着尺寸的减小而变得更加鲁棒。这揭示了一种新的铁电性，其机制仍然需要理解。为此，需要具有提高的晶体质量的薄膜。本文报道了在（001）取向的La0.7Sr0.3MnO3/SrTiO 3（STO）衬底上外延生长Hf0.5Zr0.5O2（HZO）薄膜。在外延压缩应变下的薄膜主要是（111）取向的，显示出高达34 μC/cm 2的大FE极化值，并且不需要唤醒循环。结构表征揭示了菱形相，不同于通常报道的极性正交相。这一意外的发现使我们能够提出一个令人信服的模型形成的FE相。此外，这些结果指向简单氧化物的纳米颗粒作为一个巨大的未开发的类别的纳米级铁电体。
2018-01-26 cond-mat.mtrl-sci
Depletion layer-induced size effects in ferroelectric thin films: A Ginzburg-Landau model study
采用Ginzburg-Landau模型研究了耗尽层对薄膜铁电性能的影响。结果表明，自由电荷层在膜电极界面上可以导致一个内部的电场在大部分的膜，即使没有施加外部电压。在施主掺杂剂密度的高值和小厚度下，该内部电场可以足够强以导致域图案的形成。这会导致剩余极化的下降;这直接证明了自由电荷在铁电薄膜中的重要作用。
2013-04-18 cond-mat.mtrl-sci
Phase transition and polar cluster behavior above Curie temperature in ferroelectric BaTi$_{0.8}$Zr$_{0.2}$O$_3$
本文通过热学、极性、弹性和介电测量，揭示BaTi0.8Zr0.2O3在居里温度以上至T*~350 K存在极性纳米结构，并利用共振压电谱证明直流场冷却可诱导剩余压电性，将剩余效应归因于极性纳米结构的重新取向。
2024-05-06 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.other
Size Effects in Ferroelectric Thin Films: The Role of 180 degree domains
由于铁电薄膜中未补偿的表面电荷而产生的退极化场可以将铁电相抑制在临界尺寸以下。最近的实验表明，180度畴结构可以帮助在薄至3个晶胞的薄膜中稳定铁电性。利用含时Ginzburg-Landau理论研究了铁电薄膜的电畴结构对尺寸效应的影响。该模型通过考虑上下表面的非铁电钝化层来考虑退极化场的影响。我们表明，180度的畴尺寸减小，薄膜厚度的减少和膜突然成为顺电低于临界尺寸。180度域出现在极化切换引起的剩余极化的时间依赖性弛豫，与最近的实验一致。去极化引起的畴壁运动显著改变了小厚度下极化-电场（P-E）环的形状。
2006-11-15 cond-mat.mtrl-sci
Polarization switching on the open surfaces of the wurtzite ferroelectric nitrides: ferroelectric subsystems and electrochemical reactivity
本研究针对二元纤锌矿铁电氮化物特殊的极化翻转行为，采用多维高分辨率PFM技术观测到两个弱耦合铁电子系统与偏压诱导电化学反应活性，建立了该类材料极化翻转的普适性现象学图景。
2025-06-17 cond-mat.mtrl-sci
Limitations to Electrical Probing of Spontaneous Polarization in Ferroelectric-Dielectric Heterostructures
从材料科学的角度来看，准确估计铁电-电介质叠层中的铁电极化是重要的，并且它对于基于铁电的电子器件的发展也是至关重要的。本文通过理论推导和数值模拟，回顾了PUND技术在金属-铁电-介质-金属（MFDM）结构中的理论和应用。在MFDM结构中，PUND技术的结果可能在很大程度上不同于在叠层中实际切换的极化，这又不同于下面的铁电体的剩余极化。因此，主要的障碍，防止PUND测量提供一个很好的估计MFDM堆栈中的偏振开关进行了讨论。所涉及的物理量，并不总是在实验中访问的检查，提供了一个有用的洞察力的主要来源的错误的PUND技术，并澄清了微妙的相互作用之间的去极化场和电荷注入和捕获MFDM堆栈与薄介电层。
2022-04-12 cond-mat.mtrl-sci
Ferroelectricity in AlScN: Switching, Imprint and sub-150 nm Films
AlScN中铁电性的发现首次清晰地观察到纤锌矿晶体结构中的效应，从而产生了具有前所未有的非常大的矫顽场（2-5 MV/cm）和剩余极化（70-110 $μ$ C/cm $^2$）的组合的材料。我们获得了初步的洞察AlScN的开关动力学，这表明一个域壁运动有限的过程从电极界面的进展。此外，印记一般观察到在AlScN膜，可以暂时追溯到与内部和外部的极化和字段，分别与带电缺陷的对齐。从应用的角度来看，铁电性可能是至关重要的，可以在厚度低于30 nm的薄膜中观察到-因为发现AlScN的矫顽场在很大程度上与600 nm和27 nm之间的厚度无关。
2020-10-12 cond-mat.mtrl-sci
Enhanced energy storage density by reversible domain switching in acceptor doped ferroelectrics
典型铁电体具有较大的自发极化强度Ps，但同时也具有较大的剩余极化强度Pr，这导致铁电体的储能密度较低，因此需要一种既能降低Pr又能保持Ps的机制来提高铁电体的储能性能。从而产生收缩的双磁滞回线。具有大Ps和小Pr的箍缩环因此导致增强的能量存储密度。背后的物理是一个缺陷引起的内部领域，提供了一个回复力的域切换back.The想法是通过一个时间相关的Ginzburg-Landau模拟以及BaTiO $_3$为基础的单晶和陶瓷的实验测量证明。该机理具有普遍性，适用于各种铁电体，特别是环境友好型铁电体。
2020-08-12 cond-mat.mtrl-sci
Growth Window of Ferroelectric Epitaxial Hf0.5Zr0.5O2 Thin Films
亚稳的斜方晶相通常在多晶薄膜中获得，而在外延薄膜中，其形成的研究要少得多。我们已经生长Hf0.5Zr0.5O2薄膜的脉冲激光沉积，和生长窗口（沉积过程中的温度和氧气压力和膜厚）的外延稳定的铁电相映射。剩余的铁电极化，高达约24 μ C/cm 2，取决于正交相和晶面间距的量，并随着温度和压力的固定膜厚度增加。漏电流随着厚度或温度的增加而减小，或者当降低氧气压力时减小。矫顽电场（EC）取决于厚度（t），根据矫顽电场（EC）-厚度（t）-2/3缩放，这是在铁电氧化物中首次观察到的，并且缩放延伸到低至约5 nm的厚度。经过验证的能力，定制高品质的外延铁电Hf0.5Zr0.5O2薄膜的功能特性铺平了道路，了解他们的铁电性能和原型设备。
2019-02-27 cond-mat.mtrl-sci
A Novel Methodology of Visualizing Orthorhombic Phase Uniformity in Ferroelectric Hf0.5Zr0.5O2 Devices Using Piezoresponse Force Microscopy
本研究提出一种基于压电力显微镜（PFM）的新方法，可对不同厚度铁电Hf0.5Zr0.5O2薄膜的正交相均匀性进行二维映射与量化，发现9 nm薄膜性能最优，为铁电薄膜相分析提供了简便高效的表征手段。
2025-08-03 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Ferroelectricity in the 1 $μ$C cm$^{-2}$ range induced by canted antiferromagnetism in (LaMn$_{3}$)Mn$_{4}$O$_{12}$
四重钙钛矿（LaMn $_{3}$）Mn $_{4}$ O $_{12}$的多晶样品上的热释电电流和磁电耦合测量给出了由$B$ -站点Mn $^{3+}$离子的反铁磁有序驱动的铁电性的证据，在$T_{N,B}$ =78 K，剩余电极化的记录值高达$P$ =0.56 $μ$ C cm $^{-2}$。X射线衍射测量表明，在$T_{N,B}$处，$P$处于$ac$ -平面内，磁矩共线，表明交换伸缩是自旋驱动铁电性的机制.预期单晶中的极化值$\sim$ 3 $μ$ C cm $^{-2}$，这将为实际的多铁性应用开辟道路。
2018-11-17 cond-mat.mtrl-sci
Existence of Large Room Temperature Ferroelectricity in Chemical Solution Grown PbTiO3 Buffered (BiFeO3)1-x-(PbTiO3)x Films on Pt/Si Substrates
本文报道了组分x = 0.25，0.30和0.35的PbTiO_3缓冲多晶（BiFeO_3）_{1-x}（PbTiO_3）_x薄膜在准同型相界附近存在大的剩余极化和介电常数。该膜通过化学溶液沉积法沉积在镀铂硅衬底上。薄膜具有钙钛矿结构，在PbTiO_3含量高于体相时仍保持菱方晶系结构。我们观察到非常大的剩余极化，~75 microC/cm^2，和高介电常数，~2400在1 kHz x = 0.3，这是在MPB组成范围内。对于相同的成分，未缓冲的膜显示出小于1微C/cm ^2。
2008-04-10 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.other
Room-temperature relaxor ferroelectricity and photovoltaic effects in SnTiOx/Si thin film heterostructures
研究了在p型（001）Si衬底上原子层沉积（ALD）40 nm厚SnTiO $_{x}$薄膜的铁电性和光伏效应。这些膜显示出良好饱和的、方形的和可重复的磁滞回线，在室温下剩余极化为1.5 $μ$ C/cm $^{2}$，如通过面外极化对电场（P-E）和场循环测量所检测到的。在白光照射下，自发极化增加，铁电性也随之增强。铁电性表现为弛豫特性，介电峰从约0.001向约0.001移动。T = 600 K，f = 1 MHz至约500 K，100 Hz。此外，我们的薄膜在从可见光到紫外光的宽光谱照射下表现出铁电光伏行为。实验和理论计算相结合，给出了SnTiO $_{x}$薄膜的光学带隙，其光学带隙位于白光光谱的可见光区。我们的研究为开发绿色铁电SnTiO $_{x}$薄膜开辟了一条道路，该薄膜与半导体工艺兼容，可用于各种铁电和介电应用。
2017-02-15 cond-mat.mtrl-sci
Depolarization Currents in Fresh and Aged Corona Poled P(VDF-TFE) Films
利用热激去极化电流技术的短路和开路改进方法，测量了电晕极化的偏氟乙烯共聚物的弛豫电流。在老化样品中观察到的两个结构良好的峰归因于剩余极化的驻极体和铁电组分的弛豫。在新鲜样品中，两种组分混合形成一个宽峰。松弛的空间电荷引起的电流反转在开路模式在新鲜和老化的样品。通过适当的计算从总电流中提取的空间电荷峰表明，捕获的电荷比极化更稳定。有人建议，无论是驻极体和铁电组件的剩余极化是伴随着空间，或表面电荷。
2007-04-30 cond-mat.mtrl-sci
Er3+-doped Na0.5Bi0.5TiO3 Ferroelectric Thin Films with Enhanced Electrical Properties and Strong Green Up-conversion Luminescence
具有上转换发光（UCL）特性的铁电材料在显示和传感等方面具有潜在的光电应用。在此，我们展示了Er 3+掺杂的Na 0. 5 Bi 0. 5 TiO 3薄膜的强绿色UCL和增强的电学性质。所述薄膜通过使用改进的化学溶液沉积方法来制备。这些薄膜是纯相的，并且以钙钛矿结构结晶。其中，Na_（0.5）Bi_（0.49）Er_（0.01）TiO_3薄膜的剩余极化强度和介电常数最大，分别为0.22 C/m ~ 2和1166。同时，在掺Er 3+薄膜中观察到了525 nm和548 nm的强绿光UCL。它们是由Er ~（3+）离子的~ 2 H ~（11/2）→ ~ 4 I ~（15/2）和~ 4S ~（3/2）→ ~ 4 I ~（15/2）跃迁引起的。这些薄膜在光电器件应用中具有潜力。
2015-02-04 cond-mat.mtrl-sci
Intrinsic ferroelectric properties of strained tetragonal PbZr0.2Ti0.8O3 obtained on layer-by-layer grown, defect-free single crystalline films
PbZrxTi 1-xO 3（PZT）是目前最重要的铁电材料之一。大块单畴单晶PZT从来没有被合成为一个显着的组成范围内的固溶体相图。这使得PZT的基本性质处于争论之中。无缺陷单晶薄膜的合成使我们能够明确地确定描述铁电材料的本征量，如自发极化和介电常数。采用脉冲激光沉积法（PLD）在SrTiO 3（001）单晶衬底上生长了无缺陷的应变PbZr 0. 2 Ti 0. 8 O 3薄膜。采用PLD法制备的SrRuO 3单晶薄膜作为底电极。PZT薄膜具有方形形状的磁滞回线和剩余极化值高达Pr= 110 μ C/cm 2，这是相当高的理论值预测（无应变）散装单晶PZT的调查组合物。薄膜的介电常数eps 33 = 90，压电系数d33= 50 pm/V。
2006-01-16 cond-mat.mtrl-sci
Ferroelectric Switching in Hybrid Molecular Beam Epitaxy-Grown BaTiO3 Films
本文利用混合MBE原位生长全外延SrRuO3/BaTiO3/SrRuO3电容器，首次直接测得MBE生长BaTiO3薄膜的剩余极化P_r = 15 μC cm-2，并推测开关不对称性源于结构缺陷。
2025-05-03 cond-mat.mtrl-sci
Enhanced Ferroelectricity and Spin Current Waves in M-Type Barium Hexaferrite
本文报道了具有优良磁性能的M型钡铁氧体（BaFe_（12）O_（19））的本征铁电性和相关介电性质。典型的完全饱和的电极化的强度（P-E）磁滞回线、I-V曲线上的两个非线性反转电流峰以及在居里温度附近的介电常数的巨大变化都为BaFe 12 O 19陶瓷的铁电性提供了充分的实验证据。它具有108 μ C/cm 2的大剩余极化和117 kV/cm的合适矫顽场。BaFe_（12）O_（19）陶瓷的介电温谱中在194 C和451 C处出现的两个峰被认为是铁电-反铁电和反铁电-顺电结构的相变。还观察到常规的强磁滞回线。BaFe_（12）O_（19）陶瓷的磁感应极化是以交变自旋电流波的形式实现的。在500 mT的外加磁场下，获得了幅度为23 mV的ME耦合电压。BaFe_（12）O_（19）具有大铁电体和强铁磁性的复合功能响应，显示了其优异的多铁性，这为研制具有磁电序主动耦合效应的新型电子器件提供了巨大的机遇。
2020-02-26 cond-mat.mtrl-sci
Complexities in the growth and stabilization of polar phase in the Hf$_{0.5}$Zr$_{0.5}$O$_2$ thin films grown by Pulsed Laser Deposition
本研究利用原位 RHEED 辅助 PLD 与 X 射线非对称极性图，揭示 HZO/LSMO/衬底界面粗糙度会破坏铁电相稳定，并证实近 7 nm HZO 呈类菱方对称、剩余极化约 8 μC/cm²。
2024-09-10 cond-mat.mtrl-sci
AlScN: A III-V semiconductor based ferroelectric
铁电开关首次在基于III-V族半导体的材料AlScN中明确地展示--这一发现有助于满足对具有高性能和与通用半导体技术良好的技术兼容性的薄膜铁电体的迫切需求，所述通用半导体技术产生于大量存储器、微/纳米致动器和基于控制电极化的新兴应用。在AlScN中的铁电性的外观可以与原始纤锌矿型晶体结构的连续变形朝向层状六方结构随着Sc含量和拉伸应变的增加，这是预期可扩展到其他III族氮化物基固溶体。系统可调的矫顽力场大于3 MV/cm，高剩余极化超过100 μC/cm $^2$，这构成了对III族氮化物基材料中先前无法获得的自发极化的首次实验估计，一个几乎理想的方形滞后，在-0.3%到+0.4%的宽应变区间内产生优异的压电线性以及顺电转变温度超过600°C。这种有趣的组合属性是我们的知识，因为现在前所未有的领域的多晶铁电薄膜，并承诺显着推进铁电功能的开始集成到微米和纳米技术，而在同一时间提供实质性的洞察力的一个中心开放的问题的III族氮化物半导体-其实际的自发极化。
2018-11-26 cond-mat.mtrl-sci
Interlayer-engineered local epitaxial templating induced enhancement in polarization (2P$_r$ > 70$μ$C/cm$^2$) in Hf$_{0.5}$Zr$_{0.5}$O$_2$ thin films
本研究通过在硅基底引入超薄 TiN 层间作为局部外延种子层，使 HZO 薄膜剩余极化提升 2 倍至 70$μ$C/cm$^2$ 以上，器件具备免唤醒和高耐久性，为硅基外延铁电存储开辟了新途径。
2023-06-01 cond-mat.mtrl-sci
Electrically Induced, Non-Volatile, Metal Insulator Transition in a Ferroelectric Gated MoS$_2$ Transistor
我们证明了一个电诱导的，非易失性的，金属-绝缘体相变的MOS $_2$晶体管。将单晶外延生长的PbZr $_{0.2}$ Ti $_{0.8}$ O $_3$（PZT）置于由薄膜MoS $_2$制成的场效应晶体管的栅极中。当栅极电压施加到该铁电栅控晶体管时，观察到从绝缘体到金属的明显转变，反之亦然。重要的是，当栅极电压关闭时，铁电体中的剩余极化可以将MoS $_2$保持在其原始相，从而提供非易失性状态。因此，金属或绝缘相可以简单地通过向晶体管施加栅极电压来写入、擦除或保留。
2017-07-24 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Substrate temperature dependent dielectric and ferroelectric properties of (100) oriented lead-free Na$_{0.4}$K$_{0.1}$Bi$_{0.5}$TiO$_3$ thin films grown by pulsed laser deposition
本文研究脉冲激光沉积中衬底温度对无铅NKBT0.1铁电薄膜的影响，发现700°C为最佳沉积温度，可获得高介电常数、低损耗和最大有效压电系数。
2023-08-06 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Strategies to Improve the Energy Storage Properties of Perovskite Lead-Free Relaxor Ferroelectrics: A Review
具有高能量密度和功率密度的电能存储系统（EESS）对于未来电子设备的有效小型化是必不可少的。在市场上可用的不同EESS中，依赖于基于快速电子和离子极化的机制来存储和传递能量的介电电容器已经表现出高功率密度。然而，对能量耗散的不同的本征和非本征贡献阻止了陶瓷基介电电容器达到高的可恢复能量密度水平。有趣的是，基于弛豫铁电体的电介质电容器由于其低剩余极化而显示出相对高的能量密度，并且因此显示出对于需要高能量密度性质的应用的巨大潜力。本文综述了提高钙钛矿无铅弛豫体系能量密度性能的一些主要策略。这包括（i）在不同晶体位置的化学改性，（ii）不针对晶格位置的化学添加剂，以及（iii）分别专用于块体陶瓷、厚膜和薄膜的新的加工方法。综述了近年来在弛豫材料研究方面取得的进展，包括寻找具有优良能量密度性能的弛豫材料，以及选择合适的组分和工艺路线以满足不同应用需求。最后，计算机辅助材料设计的未来趋势。
2021-04-08 cond-mat.mtrl-sci
Multiferroicity and hydrogen-bond ordering in (C2H5NH3)2CuCl4 featuring dominant ferromagnetic interactions
我们证明，乙基铵氯化铜，（C2 H5 NH3）2CuCl 4，混合钙钛矿家族的成员是一个电极性和磁性的化合物与周围的居里点（247 K）的介电异常。我们已经发现，在此点以下的大的自发电极化的强度伴随着样品中的颜色变化。该系统也是铁电的，具有与经典铁电化合物相当的大剩余极化（37μC/cm 2）。这些结果归因于有机链的氢键有序。铁电性和占主导地位的铁磁相互作用的共存允许将样品与一组罕见的磁性多铁性化合物相关联。在这种混合钙钛矿中，容易调节的有机结构单元与3d过渡金属层结合的潜在氢键为设计多功能多铁性材料提供了一条新兴的途径。
2010-07-01 cond-mat.mtrl-sci
Epitaxial Integration on Si(001) of Ferroelectric Hf0.5Zr0.5O2 Capacitors with High Retention and Endurance
在Si（001）衬底上成功地制备了Hf0.5Zr0.5O2铁电薄膜电容器。正交晶系的Hf0.5Zr0.5O2相，[111]面外取向，稳定在薄膜中。薄膜的剩余极化强度Pr接近20 μC/cm ~ 2，与单晶氧化物衬底上的外延薄膜相当。对于约5 MV/cm的写入场，保持时间长于10年，并且对于约4 MV/cm的写入电压，电容器显示出高达1 E9次循环的耐久性。据发现，正交铁电相的形成关键取决于底部电极，实现在La0.67Sr0.33MnO3，但不是在LaNiO 3。在Si（001）上的Hf0.5Zr0.5O2外延膜中的优异铁电性质的展示与需要纳米尺度均匀性的器件的制造以及更好地理解这种有前途的铁电氧化物的本征性质有关。
2019-02-14 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Periodicity-dependence of the ferroelectric properties in BiFeO3/SrTiO3 multiferroic superlattices
采用脉冲激光烧蚀法在（100）取向SrTiO 3衬底上制备了由多铁性BiFeO 3和绝缘层SrTiO 3组成的人工超晶格（BiFeO 3）m（SrTiO 3）m（m= 1 ~ 10）。研究了周期性（8- 80 A）变化的超晶格的剩余极化和漏电流行为。与单层BiFeO 3薄膜相比，随着周期的增加，漏电流降低了几个数量级。减少泄漏和固有的极化滞后被观察到，并证实了PUND分析的周期在20- 60 A的范围内。漏电流主要由空间电荷限制的导电决定
2007-10-25 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.str-el
Ferroelectricity in Polar ScAlN/GaN Epitaxial Semiconductor Heterostructures
采用分子束外延技术在单晶GAN衬底上生长了晶格匹配度为18%ScAlN/GAN异质结构，并观察到了室温铁电性。外延膜具有光滑的表面形貌和高结晶度。脉冲电流-电压测量证实了在几种测量条件下以及在多个样品中这种铁电/半导体结构中的稳定且可重复的极化切换。在室温下测得的矫顽场值为Ec~0.7 MV/cm，对于~100 nm厚的ScAlN层，剩余极化Pr~10 μC/cm 2。这些值基本上低于通过溅射沉积的可比较的ScAlN控制层。重要的是，MBE ScAlN的矫顽场小于GAN的临界击穿场，为低电压铁电开关提供了潜力。GAN上ScAlN的低矫顽场铁电性预示着具有外延集成铁电/半导体异质结构的新形式的电子和光子器件的可能性，该异质结构利用GAN电子和光子半导体平台，其中底层半导体本身表现出自发和压电极化。
2021-05-21 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Exploring Nanoscale Ferroelectricity in Doped Hafnium Oxide by Interferometric Piezoresponse Force Microscopy
基于氧化铪（HfO 2）的铁电体由于其与传统硅CMOS技术的兼容性、高可切换极化、良好的耐久性和厚度可扩展性而为存储器和逻辑器件提供了显著的前景。这些因素导致在过去几年中对这类材料的研究急剧上升。与此同时，只有少数报告的直接传感纳米铁电性能存在，许多问题仍然存在关于这些材料中的铁电性的出现。虽然压电响应力显微镜（PFM）非常适合探测纳米尺度上的压电和铁电性，但众所周知，它会受到人为因素的影响，使结果的定量解释复杂化，甚至可能导致非铁电材料中的铁电性。在本文中，我们探讨了使用一种改进的PFM方法的基础上干涉位移传感（IDS）的裸硅掺杂HfO 2纳米铁电性研究的可能性。我们的研究结果表明，在本地的各种HfO 2微晶的残余状态与报告值的压电耦合在0.6-1.5 pm/V的范围内的一个明显的差异。此外，我们报告不寻常的铁电极化开关，包括可能的贡献，从电致伸缩和Vegard效应，这可能表明氧空位或界面效应的影响出现的纳米级铁电性HfO 2。
2020-04-28 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Tuning the Ferroelectric Polarization in $AA^{\prime}$MnWO$_6$ Double Perovskites through $A$ Cation Substitution
最近的实验和理论工作表明，双钙钛矿NaLaMnWO $_6$由于Mn $d$状态而表现出反铁磁有序，并且计算研究进一步预测其由于铁电性的不适当机制而表现出自发电极化[King \textit{et al., Phys.\ Rev.\ B}，2009，\textbf{79}，224428; Fukushima \textit{et al., Phys.\ Chem.\ Chem.\ Phys.}，2011，\textbf{13}，12186]，这使其成为候选的多铁性材料。使用第一性原理密度泛函计算，我们调查九个同构和等价的$AA^{\prime}$ MnWO $_6$双钙钛矿（$A$ =钠，钾，和Rb; $A^{\prime}$ =镧，钕，和Y）的目的是阐明晶体化学准则，描述如何通过化学取代的$A$ -网站，同时保持长程磁序增强的电极化的幅度。我们发现，在使$A$和$A^{\prime}$阳离子的离子尺寸差异最大化的化合物中，电极化可以增强高达150\%。通过检查的公差因子，键价，和结构的扭曲（描述的适应性模式）的9种化合物，我们确定的原子尺度的功能，是强烈相关的离子和电子的贡献电极化。我们还发现，每个化合物表现出一个纯粹的电子剩余极化，即使在没有一个displacive极性模式。这里提出的分析和设计策略可以进一步扩展到该家族的其他成员（$B$ =Fe，Co等），并且该机制的不适当的…
2014-11-25 cond-mat.mtrl-sci
Ferroelectric AlBN Films by Molecular Beam Epitaxy
本研究通过分子束外延在Nb2N电极上生长AlBN薄膜，发现其具有铁电性，剩余极化15 uC/cm2，矫顽场1.45 MV/cm，因漏电导致唤醒不完整，但保留AlN超宽带隙，可外延集成于GaN/AlN，为电子、光子和存储器件提供新机遇。
2024-07-17 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci cond-mat.supr-con
The interplay of ferroelectricity and magneto-transport in non-magnetic moiré superlattices
本工作在石墨烯/六方氮化硼莫尔超晶格中发现了界面铁电性及其磁场增强效应，并揭示铁电极化对量子输运的调制作用，为二维存储与逻辑应用提供新途径。
2025-07-01 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Evolution of ferroelectricity with annealing temperature and thickness in sputter deposited undoped HfO$_2$ on silicon
本文研究硅上溅射未掺杂 HfO$_2$ 的退火温度与膜厚对铁电性的影响，确定 600–700 ℃、15–20 nm 为最佳窗口，实现约 35.5 μC/cm$^2$ 的 2Pr 和约 $10^8$ 次无唤醒耐久循环。
2023-04-25 cond-mat.mtrl-sci
The Critical Role of Charge Balance on the Memory Characteristics of Ferroelectric Field-Effect Transistors
具有铁电氧化铪（FE HfO 2）作为栅极绝缘体的铁电场效应晶体管（Fe-FET）作为用于三维（3D）NAND存储器应用的有前途的器件候选者被广泛地探索。FE HfO 2具有超过10年的长保持时间、超过1012次循环的高耐久性、亚ns极化切换的高速以及10-30 μC/cm 2的高剩余极化。然而，已知Fe-FET的性能比FE HfO 2电容器差得多，这一点尚未完全了解。在这项工作中，我们开发了一个全面的Fe-FET模型的基础上的电荷平衡框架。研究了M/FE/DE/S（Metal/Ferroelectric/Dielectric/Semiconductor）栅叠层铁电场效应晶体（Fe-FET）中电荷平衡的作用以及漏电流辅助开关机制对存储特性的影响。结果表明，FE/DE界面和DE层是决定Fe-FET记忆特性的关键，而FE层则是决定记忆特性的关键，该模型可以很好地解释实验Fe-FET，成功地解释了FE电容器和Fe-FET之间的差异。
2021-05-27 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Origin of Large Dielectric Constant with Large Remnant Polarization and Evidence of Magnetoelectric Coupling in Multiferroic La modified BiFeO3-PbTiO3 Solid Solution
超晶格反射的存在以及粉末中子和X射线衍射数据的详细分析表明，富La（BF $_{0.50}$ -LF $_{0.50}$）$_{0.50}$ -（PT）$_{0.50}$（BF-LF-PT）在环境条件下具有空间群为\textit{$R3c$}的铁电菱形晶体结构。晶格参数、倾斜角、计算的极化$(P_{s})$、体积以及超晶格和磁反射的积分强度的温度依赖性在170 K附近显示出异常。在$473K \leq T \leq 573K$温度范围内进行阻抗谱、介电和交流电导率测量，以探测$T_c^{FE}$附近具有大介电常数的大剩余极化和频率依赖性宽跃迁的起源。阻抗谱测量的结果清楚地显示了在整个频率范围（$10^{3}$ Hz $\leq f\leq 10^{7} $ Hz）内晶粒和晶界的贡献。可以得出结论，与晶粒相比，晶界的电阻性和电容性更大，导致样品中的不均匀性，从而引起宽频率依赖的介电异常。介电常数和剩余极化值的增加可能是由于颗粒界面和晶界处电荷堆积引起的空间电荷极化。在$T_c^{FE}(\sim 523$ K）下使用Maxwell-Wagner模型拟合介电常数（$ε^{\prime\prime}$）的虚部与频率数据，并且模型与高达$10^{5}$ Hz的数据拟合得非常好。磁介电测量证明样品在$\sim 170$ K开始表现出磁电耦合，这也被中子衍射数据所验证。
2010-02-08 cond-mat.mtrl-sci
Unique Ferroelectric Fatigue Behavior and Exceptional High Temperature Retention in Al0.93B0.07N Films
本文报道了新型纤锌矿铁电体Al 1-xBxN薄膜的疲劳和保持行为，重点是电容器结构的作用。通过修改电容器的架构，从而热和电的边界条件，我们创建洞察力的内在和外在的贡献者的退化趋势的相对重要性。我们的实验表明，双极循环的金属（Pt/W）/Al0.93B0.07N/W/Al 2 O3薄膜堆栈首先诱导唤醒，然后一个恒定的可切换的极化区域。在额外的循环，薄膜的漏电流增加，然后薄膜发生介电击穿。对于未图案化的第一代Al0.93B0.07N膜，具有100 nm厚的Pt顶部电极的膜在热介电击穿之前存活约104个双极循环，而具有1000 nm W顶部电极的膜在热介电击穿之前存活约10^5个循环。使用Sentaurus建模设计了一个SU 8场板，将性能提高到约10^6次疲劳循环。有人发现，在疲劳过程中的热故障不是由于表面闪络事件，但与硬击穿事件的电介质。该膜表现出优异的存储偏振态的保留。正如预期的那样，数据保留在相反状态（OS）测量中略差。然而，值得注意的是，即使在3.6x10^6秒（1000小时）之后。在200°C时，OS信号裕度仍超过200 uC/cm 2。在200 ℃下烘烤10年后，预计OS保留率为82%。
2022-08-12 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Resistive hystersis effects in perovskite oxide-based heterostructure junctions
本文报道了氧化物基金属/铁电/金属（MFM）结的电学和结构特性。异质结构由作为金属层的La0.7Ca0.3MnO3（LCMO）和作为铁电层的BaTiO 3（BTO）的叠层组成。采用光刻和氩离子刻蚀技术在LCMO/BTO/LCMO异质结上制备了尺寸为400 × 200 μ m ~ 2的结基器件。测量了MFM结的直流电流-电压特性。在300 K时，器件表现出线性（I-V）特性，而在77 K时，（I-V）曲线表现出一些可重复的开关行为，具有明确的剩余电流。所得到的电阻调制与已经报道的显示电阻切换的铁电层中的电阻调制非常不同。提出了一个模型来解释这些数据
2006-10-06 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.str-el
Electrical properties of RF sputtered PMN-PT thin films on LCMO buffered platinized glass substrate
铅基弛豫铁电薄膜由于其优异的性能而具有重要的技术意义。然而，这些材料的精细性和高制造成本一直困扰着它们。本文对在LCMO缓冲镀铂玻璃衬底上生长的PMN-PT薄膜进行了系统的研究。在室温下使用RF磁控溅射生长的薄膜。在550 ℃和650 ℃空气中进行2 h的非原位热退火，可以得到单相PMN-PT薄膜。在低于550 ℃的温度下退火的膜和没有缓冲层的膜显示烧绿石的存在。研究了退火温度对PMN-PT薄膜的微结构、介电和铁电性能的影响。单相PMN-PT薄膜的扫描电子显微镜照片显示，在550和650 ℃退火的薄膜的双峰晶粒尺寸分布。经650 ℃退火后，薄膜的介电常数高达1300，剩余极化（2 Pr）为17 μ C/cm ~ 2。
2015-12-25 cond-mat.mtrl-sci
Thickness-dependent polarization of strained BiFeO3 films with constant tetragonality
我们用低能电子和光电子发射显微镜测量了BiFeO 3薄膜中铁电畴的剩余极化，其厚度可达3.6 nm。在连续介质理论预测的5-7 nm的临界厚度以下，测得的偏振强烈衰减，而四角畸变没有改变。我们解决这个明显的矛盾，使用基于第一性原理的有效哈密顿计算。在超薄膜中，接近开路电边界条件的能量学，即未屏蔽的去极化场，驱动系统通过从单一面外极化到纳米级条带域的相变，从而产生如通过电子显微镜测量的接近于零的平均剩余极化，同时保持由非-每个单独域的零极化状态。
2013-01-03 cond-mat.mtrl-sci
Determination of the intrinsic ferroelectric polarization in orthorhombic HoMnO3
具有E型反铁磁自旋有序的正交晶系HoMnO_3是否存在大的铁电极化P，一直是多铁性物理中尚未解决的挑战性问题之一。这个问题是密切相关的一个有趣的实验困难，用于确定P的多晶试样，常规的热释电电流测量后，在高直流电场极化程序进行了大的误差，由于泄漏电流或空间电荷所造成的问题。为了克服这个困难，我们采用PUND方法，它连续使用两个正和两个负的电脉冲，直接测量电滞回线在几个多晶HoMnO 3样品低于其Néel温度。我们发现，所有的HoMnO 3样品在每个温度下具有相似的剩余极化Pr值，无论它们的电阻率，介电常数和热释电电流水平的变化。此外，在6 K下约0.07 μ \C /cm 2的Pr与从短脉冲极化后进行的热释电电流测量获得的P值一致。结果表明，用PUND法可以测定多晶HoMnO_3的本征P，单晶样品在0 K时的本征P可达~0.24 μ \C /cm ~ 2。
2010-04-21 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.str-el
Hybrid MBE Route to Adsorption-Controlled Growth of BaTiO3 Membranes with Robust Polarization Switching
本文利用混合 MBE 在二元氧化物牺牲层上吸附控制生长外延 BaTiO3，并通过水滴剥离获得毫米级独立铁电薄膜，验证了其高介电常数与稳健极化翻转。
2025-10-04 cond-mat.mtrl-sci
Effect of uniaxial compressive stress on polarization switching and domain wall formation in tetragonal phase BaTiO3 via machine learning potential
Department of Materials Engineering, the University of Tokyo（东京大学材料工程系）；Institute of Industrial Science, the University of Tokyo（东京大学工业科学研究所）
研究通过机器学习势探讨单轴压缩应力对BaTiO3四方相极化开关和畴壁演化的影响，发现约120 MPa的临界应力触发90度极化开关，且压缩应力降低剩余极化和矫顽场，80 MPa时出现双滞回环。
2026-01-19 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Scale-free switching of polarization in the layered ferroelectric material CuInP$_2$S$_6$
通过第一性原理计算发现CuInP$_2$S$_6$中偶极子弱耦合导致非相干无序切换，切换势垒约203.6-258.0 meV，比HfO$_2$小五倍，揭示无标度极化机制，为神经形态应用提供可调亚稳性设计思路。
2023-06-22 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Ideal antiferroelectricity with large digital electrostrain in PbZrO3 epitaxial thin films
本研究针对薄膜中反铁电行为被掩盖的问题，通过揭示特定晶体学方向的相变路径并设计取向，在PbZrO3外延薄膜中实现理想反铁电性及大数字电致应变，为纳米机电应用提供新途径。
2025-04-16 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Theoretical description of anomalous properties of novel room temperature multiferroics Pb(Fe1/2Ta1/2)x(Zr0.53Ti0.47)1-xO3 and Pb(Fe1/2Nb1/2)x(Zr0.53Ti0.47)1-xO3
对Pb（Fe_（1/2）Ta_（1/2））_x（Zr_（0.53）Ti_（0.47））_（1-x）O_3和Pb（Fe_（1/2）Nb_（1/2））_x（Zr_（0.53）Ti_（0.47））_（1-x）O_3微晶陶瓷的反常铁电、铁磁和磁电性质进行了理论描述。计算了铁电、铁磁和反铁磁相变温度、回复极化、磁化强度、磁滞回线、矫顽场、介电常数和磁电耦合随温度、成分和外场的变化关系。特别注意的是比较发达的理论与实验。它似乎可以充分描述的主要实验结果，包括一个合理的协议之间的形状计算的磁滞回线和剩余极化值与测量的循环和极化。从实验数据中提取了有关线性和非线性磁电耦合系数的信息。从拟合的实验数据与理论公式，它似乎可以获得居里-外斯常数，这是已知的谐波（线性）介电刚度成反比的组合物的依赖性，以及强烈的非线性依赖的非谐波参数的自由能。记住这些参数对多铁性的本质影响，所获得的结果开辟了一条道路，以管理实际上所有的材料性能的帮助下，选择合适的组合物。在此基础上，预测了反铁畸变序参量对多铁性材料的相变温度、相图和性质等的影响。
2015-07-19 cond-mat.mtrl-sci
