Local Ferroelectricity in SrTiO_3 Thin Films
利用共焦扫描光学显微镜研究了SrTiO_3薄膜的温度极化特性。从线性电光响应的图像中识别出均匀的面外和不均匀的面内铁电相。滞后和非滞后行为下观察到的直流偏置场。与体铁电体中的经典转变不同，在远高于介电常数最大值的温度下观察到局部铁电性。结果表明，实用的本地探针实验在理解非均匀铁电体。
2002-08-31 cond-mat.mtrl-sci
Localized electronic states induced by defects and possible origin of ferroelectricity in strontium titanate thin films
已经研究了包括氧空位的几种缺陷配置，作为所报道的钛酸锶（STO）薄膜的室温铁电性的可能来源[Appl. Phys. Lecture. 91，042908（2007）]。第一性原理计算表明，Sr-O-O空位复合物在SrTiO 3的带隙中产生深局域态，而不影响其绝缘性能。这些结果与从光学透射和X射线吸收测量确定的电子结构变化一致。这项工作开辟了利用氧空位及其复合物作为钙钛矿氧化物薄膜（包括STO）铁电性来源的途径。
2008-09-18 cond-mat.mtrl-sci
Improper ferroelectricity in ultrathin hexagonal ferrites film
针对超薄非本征铁电六方铁氧体薄膜铁电性抑制的定量认知缺失问题，研究者通过原位RHEED研究外延h-ScFeO3薄膜的相变，结合界面钳制模型与朗道理论解释居里温度的厚度依赖性，发现临界厚度与界面钳制层特征长度成正比，为实现超薄薄膜稳定非本征铁电性提供指导。
2023-02-13 cond-mat.mtrl-sci
The coexistence of magnetism and ferroelectricity in 3d transition metal doped SnTe monolayer
实现二维纳米材料的多铁性对于设计先进的纳米电子器件如非易失性多态数据存储至关重要。在本工作中，铁磁性和铁电性共存的单层SnTe系统的过渡金属（TM）掺杂的报告。基于第一性原理计算，在铁电SnTe单层膜中进行TM掺杂可以实现自发自旋极化。在Mn（Fe）掺杂的SnTe单分子膜中，除了出现面内铁电极化外，还出现了面外铁电极化，这是由于TM从表面的内部位移引起的。有趣的是，随着掺杂元素原子序数的增加，以TM为中心的晶场以及掺杂元素与Te之间的相互作用逐渐增强，这解释了形成能降低的原因。SnTe单层膜多铁性的实现为低维多铁性材料的实验制备提供了理论指导。
2019-06-25 cond-mat.mtrl-sci
Coexistence of spin glass and ferroelectricity in highly ordered Bi2FeMnO6 epitaxial thin film
在SrTiO 3衬底上成功地生长了高度有序的Bi 2 FeMnO 6外延薄膜。同步辐射X射线倒易空间成像和高分辨透射电子显微镜都证实了Bi2FeMnO6薄膜中Fe和Mn沿[111]方向交替排列。对Bi2FeMnO6薄膜的磁性和铁电性能进行了表征和分析。Bi2FeMnO6薄膜的室温铁电性得到了很好的保持。然而，非常有趣的是，Bi_2FeMnO_6薄膜表现出典型的自旋玻璃行为和非常弱的磁性，而不是通常认为的铁磁性。第一性原理计算提出了Bi2FeMnO6的自旋阻挫模型，该模型能够很好地解释Bi2FeMnO6薄膜的磁性.
2016-01-17 cond-mat.mtrl-sci
Orientation-dependent ferroelectricity of strained PbTiO$_3$ films
PbTiO $_3$是一种简单但非常重要的铁电氧化物，已被广泛研究并广泛应用于各种技术应用中。然而，大多数先前的研究和应用是基于本体材料或常规的[ $001$ ]取向的膜。关于沿其它晶轴生长的PbTiO $_3$薄膜的研究较少。在这项研究中，第一性原理计算进行计算的PbTiO $_3$薄膜的极化由SrTiO $_3$和LaAlO $_3$衬底应变。结果表明，PbTiO $_3$薄膜的极化强度与薄膜的生长取向和单斜取向角密切相关。此外，它表明，PbTiO $_3$的铁电性主要取决于晶格的四方性，而不是简单的应变。
2015-11-10 cond-mat.mtrl-sci
Ferroelectricity and strain effects in orthorhombic YMnO3 thin films
本文报道了反铁磁斜方晶YMnO_3外延[001]和[100]织构薄膜的介电性质及其在外延压应变下的变化。研究发现，在外加磁场作用下，弱应变YMnO 3薄膜的极化沿c轴方向可转换90度。当减小膜厚和增加外延应变时，铁电有序逐渐被抑制。结构，介电和磁性数据的分析表明，铁电性的抑制，当减少厚度是伴随着一个放大的比例a/b的正交结构的面内单元参数和净磁化的外观。所有结果都可以用正交晶系锰氧化物的多铁性相图来描述。
2010-12-14 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
Incipient ferroelectricity in 2.3% tensile-strained CaMnO3 films
在（001）取向的LaAlO_3衬底上生长的CaMnO_3外延薄膜在25K以下具有初始铁电性。光学二次谐波产生（SHG）用于检测初始偏振。二次谐波分析表明，具有正交b轴面内取向的CaMnO 3微晶有助于沿正交a轴取向的电极化的强度（分别为1.0 μ m和1.5 μ m）。c）轴与密度泛函计算的预测一致。
2012-05-08 cond-mat.mtrl-sci
Surface reconstruction and ferroelectricity in PbTiO$_3$ thin films
用原子间相互作用势方法研究了PbTiO $_3$薄膜的表面和铁电性质。我们发现，一个模型开发的散装描述适当的表面性质的PbTiO $_3$。特别是，antiferodistortive表面重建，最近观察到的X射线散射，正确地再现作为一个结果，在平衡的远程库仑和短程相互作用在表面上的变化。研究了表面重构对薄膜铁电性能的影响。在外加开路电边界条件下，该模型给出了4个单胞铁电性的临界厚度。形成反铁畸变重构的表面层参与铁电性。薄膜的四方性的降低导致具有非零面内偏振的相的稳定。发现了表面重构对面内偏振分布的特殊影响。
2005-03-21 cond-mat.mtrl-sci
Ferroelectricity in $\mathbf{BiMnO_3}$ Thin Films
{ $\mathrm{BiMnO}_3$ }中是否存在铁电性一直是实验学家和理论家长期以来的问题。除了高度扭曲的体结构之外，离子晶面在薄膜中引起大的粗糙度，这使得极难确定潜在的铁电-铁磁相的物理机制。我们的方法的问题，包括基板明确研究的极化。利用这个模型，我们研究了在$\mathrm{SrTiO}_3$衬底上的单层、双层和三层{ $\mathrm{BiMnO}_3$ }薄膜。我们发现薄膜系统同时具有强铁磁性和强铁电性。衬底约束削弱了由立体化学活性的$6s^2$孤对和由本体中发现的Mn离子周围的Jahn-Teller畸变引起的位移之间的竞争，使得本体中Bi离子的偏心位移的总和{ $\mathrm{BiMnO}_3$ }几乎抵消。相反，在{ $\mathrm{BiMnO}_3$ }薄膜中，所有Bi离子大致平行地位移，导致强极性结构。我们还发现了Mn离子对在{ $\mathrm{BiMnO}_3$ }薄膜中的自发电荷分离。
2017-04-10 cond-mat.mtrl-sci
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
Phase transitions and ferroelectricity in very thin films: single- versus multidomain state
我们用连续理论讨论了在非常薄的薄膜中铁电相变到单畴和多畴状态。结果表明，在近立方铁电体的域状态可以生存到原子膜厚度，不像单域状态，这几乎总是不稳定或亚稳态。这个结论是有效的，几乎不管电极的性质（金属或半导体）和屏蔽载体是否可能存在于铁电体本身。
2006-06-07 cond-mat.mtrl-sci
Ferromagnetism and Ferroelectricity in epitaxial ultra-thin BiMnO3 films
研究了用射频磁控溅射法生长的压应变和无应变BiMnO_3薄膜的铁电和铁磁性质。在（001）SrTiO3和（110）DyScO3上沉积的BiMnO3样品呈现二维立方叠立方生长模式和伪立方结构，厚度分别为15 nm和25 nm。在这些厚度之上，我们观察到切换到3D岛生长，并且同时结构变化到单斜结构，其特征在于单斜晶胞的（00l）取向。虽然铁磁性观察到低于Tc = 100 K的所有样品，室温下的铁电性的签名，发现只有在伪立方超薄膜，表明电子和结构之间的相关性秩序。
2013-06-05 cond-mat.mtrl-sci
Ferroelectricity in Pb(Zr$_{0.5}$Ti$_{0.5}$)O$_{3}$ thin films: critical thickness and 180$^\circ$ stripe domains
采用蒙特卡罗模拟方法，基于第一性原理导出的哈密顿量，研究了无序Pb（Zr $_{0.5}$ Ti $_{0.5}$）O $_{3}$薄膜的铁电性质.发现存在一个临界厚度约为3个（$\sim$ 12 Ω）的晶胞，在此厚度以下，在足够的箝位效应抑制面内极化的条件下，铁电性消失.在临界厚度以上，系统中形成具有面外极化的周期性$180^{\circ}$条纹畴，以使去极化场的能量最小化。条纹周期随膜厚的增加而增加。对这些现象的微观机理进行了讨论。
2004-07-02 cond-mat.mtrl-sci
Appearance of ferroelectricity in thin films of incipient ferroelectric
在Ginsburg-Landau-Devonshire唯象理论框架下，对钙钛矿结构的常规和初始铁电薄膜的尺寸诱导铁电-顺电相变进行了研究.考虑了更一般形式的表面自由能展开，包括本征表面应力张量、表面压电效应和电致伸缩以及表面极化的二次和四次幂。导出了常规铁电体和初始铁电体的转变温度与厚度关系的解析表达式。结果表明，虽然没有铁电体中的初始铁电体，它出现在薄膜的负外推长度，实现例如在正的表面应力系数和负或零失配应变。在我们的研究中，我们得出了在室温下，对于足够薄的薄膜，初始铁电体KTaO_3中的厚度诱导铁电性的结论。类似的表面效应可以强烈地影响另一种初始铁电体SrTiO 3的薄膜中的相变。
2007-04-15 cond-mat.mtrl-sci
Intrinsic Origin of Enhancement of Ferroelectricity in SnTe Ultrathin Films
先前的研究表明，随着铁电薄膜变薄，它们的居里温度（Tc）和低于Tc的极化都典型地降低。相反，最近的一项实验[Chang et al.，Science 353，274（2016）]观察到原子厚度的SnTe膜具有比其本体对应物更高的Tc，这归因于外部效应。在这里，我们发现，使用第一性原理计算，即0 K的能量势垒的极化开关（这是一个数量直接相关的Tc）是最高的研究无缺陷的SnTe薄膜比散装SnTe，和5单元电池（UC）的SnTe薄膜具有最大的能量势垒作为杂交相互作用和泡利排斥之间的相互作用的结果。进一步的模拟，采用目前开发的有效哈密顿量，确认独立的无缺陷的SnTe薄膜具有较高的Tc比散装SnTe，除了1-UC的情况下。因此，我们的工作表明，通过减少其厚度，本质上提高铁电薄膜的可能性。
2018-05-10 cond-mat.mtrl-sci
Ferroelectricity and tetragonality in ultrathin PbTiO3 films
在外延生长的c轴取向的PbTiO_3薄膜中，厚度从500埃到24埃，四方性随厚度的演变已被探测到。高分辨率的X射线指出，随着膜厚度的减小，c轴晶格参数在200埃以下系统地减小。使用第一性原理模型哈密顿方法，四方性的减少与归因于残余未屏蔽去极化场的存在的极化的减少有关。结果表明，低于50埃的薄膜显示出显着降低的极化，但仍然保持铁电。
2004-10-01 cond-mat.mtrl-sci
Room Temperature Ferroelectricity in Continuous Croconic Acid Thin Films
在室温下的铁电性已被证明在纳米薄准2D克酮酸薄膜，在宏观电容器几何的极化磁滞回线测量，随着观察和操纵的纳米级域结构的压电响应力显微镜。通过在高真空中使用低蒸发温度抑制热分解，结合远离热平衡的生长条件，实现了氢键键合的克糖酸的连续薄膜的制造。对于标称覆盖率>=20 nm，可以获得平均晶粒尺寸为50-100 nm和粗糙度为3.5 nm的准2D和多晶膜。自发的铁电畴结构的薄膜已被观察到，并出现相关的晶粒图案。这种无溶剂生长方法的应用可能是开发用于电子应用的柔性有机铁电薄膜的关键。
2016-08-09 cond-mat.mtrl-sci
A-site driven ferroelectricity in strained ferromagnetic L2NiMnO6 thin films
本文报道了在SrTiO_3衬底上生长的铁磁La_2NiMnO_6薄膜中A位驱动铁电性的理论和实验研究。结构分析和密度泛函理论计算表明，外延应变使菱面体La2NiMnO6晶格沿[111]立方方向伸展，引发双钙钛矿晶格中A位La离子的位移。晶格畸变和A位位移稳定了铁磁La2NiMnO6晶体中的铁电极性态。铁电态仅出现在菱形La2NiMnO6相中，其中MnO6和NiO6八面体倾斜被3重晶体对称性抑制。电子定位图表明，共价键与氧和6s轨道孤对形成在这种材料中是可以忽略不计的。
2015-04-20 cond-mat.mtrl-sci
Probing of local ferroelectricity in BiFeO3 thin films and (BiFeO3)m(SrTiO3)m superlattices
采用脉冲激光烧蚀法在（001）取向SrTiO 3衬底上制备了BiFeO 3薄膜和人工超晶格（BiFeO 3）m（SrTiO 3）m（m~ 1 ~ 10个晶胞）。研究了漏电流和宏观极化随周期性的变化规律。压电力显微镜的研究表明，在BiFeO 3薄膜的情况下，大的铁电畴的存在下，而在超晶格结构的情况下，观察到的铁电畴的尺寸减小。结果表明，通过超晶格对铁电畴的改性，可以提供一个额外的控制工程畴壁介导的功能特性。
2009-02-18 cond-mat.mtrl-sci
Critical Effect of Bottom Electrode on Ferroelectricity of Epitaxial Hf0.5Zr0.5O2 Thin Films
在La0.67Sr0.33MnO3（LSMO）电极上外延生长的正交晶系Hf0.5Zr0.5O2（HZO）薄膜具有很强的铁电性，并具有很高的极化、耐久性和保持力。然而，到目前为止，使用其他钙钛矿电极还没有获得类似的结果。在这里，LSMO和其他钙钛矿电极进行了比较。在La掺杂的BaSnO3和Nb掺杂的SrTiO3上生长的HZO薄膜中发现了少量的正交相和低极化，而在LaNiO3和SrRuO3上生长的HZO薄膜中检测到了零量的正交相和极化。电极对稳定相的关键作用不是电极晶格参数差异的结果。界面是至关重要的，和工程上的HZO底部界面只有几个单层的LSMO允许正交相的稳定。此外，虽然特定的二价离子（Sr或Ca）的锰氧化物是不相关的，减少La含量导致的正交相的量和铁电极化的HZO膜的严重减少。
2021-02-18 cond-mat.mtrl-sci
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
Ferroelectricity and structure of BaTiO3 grown on YBa2Cu3O7-d thin films
研究了以YBa_2Cu_3 O_（7-d）为底电极、Au为顶电极的BaTiO_3薄膜的晶体结构和铁电性能。分别用直流和射频溅射法制备了YBa_2Cu_3O_（7-d）和BaTiO_3外延异质结构。的薄膜的晶体结构，其特征在于通过X-射线衍射。BaTiO 3薄膜的铁电行为通过使用Sawyer Tower电路的滞后回线测量得到证实。我们获得了30 kV/cm的矫顽场和1.25 \muC /cm的反射极化。在子开关领域的薄膜的电容服从类似于瑞利定律的关系。这种行为表明畴壁与随机分布的钉扎中心的相互作用。在5 MV/m的磁场下，我们计算了不可逆畴壁运动对总介电常数的3%贡献。
2000-02-15 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
Interface-Controlled Ferroelectricity at the Nanoscale
最近的实验结果表明，在薄膜中，铁电性持续到几个晶胞的膜厚度。这一发现为基于超薄铁电体的新型电子器件开辟了一条道路，但也提出了有关控制铁电性的因素和纳米级铁电状态的性质的问题。在这里，我们报告的第一性原理研究KNbO 3铁电薄膜放置在两个金属电极，无论是SrRuO 3或Pt。我们发现，铁电-金属界面的键合对原子的位移施加了严格的约束，破坏了铁电薄膜中的体四极软模。然而，这并不消除局部极化。如果界面键合足够强，则基态表示由两个界面处的本征相反取向的偶极矩驱动的铁电双畴结构。虽然KNbO 3膜的净极化的临界厚度是有限的-对于Pt约为1 nm，对于SrRuO 3电极约为1.8 nm-局部极化持续到单位电池的厚度。
2005-10-21 cond-mat.mtrl-sci
Possible Electrochemical Origin of Ferroelectricity in HfO2 Thin Films
最近在HfO_2薄膜和相关材料中观察到的异常铁电性引起了人们的广泛兴趣，并导致出现了许多与所观察到的行为相竞争的模型。在这里，我们开发的电化学机制观察到的铁电性的行为，即集体现象的弹性和电偶极子起源于氧空位形成在附近的膜表面，以及从晶界和其他类型的不均匀性内的膜。铁电相的产生是由于“电化学”耦合，即无所不在的电致伸缩和“化学”压力的共同作用，这导致依赖于极化P的有序-无序型热力学泛函中二次项α *P^2中的正系数α的符号改变。负系数α成为向长-范围有序的铁电相，其自发极化P在垂直于膜表面的方向上。利用上述观点，我们估计在厚度小于（20 - 30）nm的HfO_2薄膜中，氧空位可以诱导出高达（0.05 - 0.2）C/m^2的可逆铁电极化。半定量协议与现有的实验数据证明。
2018-11-24 cond-mat.mtrl-sci
Pseudo-proper ferroelectricity in thin films
我们研究赝本征铁电体薄膜中的铁电性，如所谓的螺旋多铁性。我们发现，这种类型的铁电性站在更好地对去极化领域比传统的。它的单畴状态可以很容易地保持金属电极，即使在双金属薄膜。事实上，单畴铁电性可以在没有电极的情况下作为亚稳态产生。我们还发现了一个新的制度，小厚度的未筛选的薄膜开发不寻常的多域状态与非静电边界条件所确定的属性。
2010-04-27 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.str-el
Enhancement of ferroelectricity in Cr-doped Ho_2Ti_2O_7
为了提高焦绿石Ho 2 Ti 2 O 7的铁电性，合成了一系列多晶焦绿石型稀土钛酸盐Ho_{2-x} Cr_xTi_2O_7。当掺杂浓度接近x=0.4时，样品的极化强度P从x=0时的0.54 \muC/m ~ 2增加到660 \muC/m ~ 2，铁电相变点Tc从~ 60 K增加到~ 140 K。在T~ 140 K时出现了磁异常，并对磁场有极化响应，表明Ho_（2-x）Cr_xTi_2 O_7具有多铁性。
2010-03-21 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.str-el
Strain-Induced Room-Temperature Ferroelectricity in SrTiO$_3$ Membranes
复合氧化物异质外延的进展突出了利用应变工程通过晶格失配来控制薄膜异质结构中的铁电性的巨大潜力。然而，这种方法缺乏产生大的和连续可变的应变状态的能力，从而限制了设计和调节铁电膜的期望性质的潜力。在这里，我们观察和探索动态应变诱导铁电性SrTiO $_3$层压独立的氧化膜上的可拉伸的聚合物衬底。利用扫描探针显微镜，光学二次谐波产生测量和原子模型的组合，我们证明了强大的室温铁电性在SrTiO $_3$与2.0%的单轴拉伸应变，证实了180°铁电畴和400 K的外推转变温度的显着特征。我们的工作揭示了利用氧化物膜在环境友好的无铅氧化物中产生和增强铁电性的巨大潜力，这对非易失性存储器和微波电子学等应用具有很大的希望。
2020-05-18 cond-mat.mtrl-sci
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
Ferroelectricity in ultrathin film capacitors
到了薄膜的极限，铁电隧道结或电阻存储器等新一代器件就有了希望。然而，这些长度尺度也使器件对与小型化相关的寄生效应敏感，并且更好地理解随着尺寸减小会发生什么对于这些器件的未来发展具有实际重要性。随着材料制备和表征的实验进展与铁电体理论建模的巨大进展，理论家和实验家终于可以探索相同的长度和时间尺度。这使得理论和实验之间的实时反馈成为可能，新的发现现在经常在实验室和计算机上进行。在这一章中，我们将重点介绍基于密度泛函理论的建模方法的最新进展，以及它在我们理解铁电体中所起的作用。我们将首先简要介绍铁电性和铁电氧化物，然后概述主要的理论发展。然后，我们将讨论钙钛矿氧化物中铁电性的一些微妙之处，然后再将注意力转向本章的主题--钙钛矿薄膜中的铁电性。我们将详细讨论的机械，电气和化学边界条件的影响，在平行板电容器的几何形状的极性状态的稳定性，引入的概念去极化领域，往往不稳定的铁电性。我们将研究薄铁电体保持其极性状态的其他方法，重点是铁电畴和畴壁。最后，我们将简要讨论人工层状铁电体及其作为电子应用定制材料的潜力。
2012-08-27 cond-mat.mtrl-sci
Ferroelectricity in tetragonal ZrO$_2$ thin films
本文研究了不同厚度外延 ZrO$_2$ 薄膜的结构与铁电性，发现四方相薄膜在 31 nm 厚度内表现出随厚度增加而减弱的铁电行为，揭示了厚度、衬底应变和表面效应对极化的促进作用。
2023-07-31 cond-mat.mtrl-sci
High-temperature ferroelectricity in SrTiO$_{3}$ crystals
已知SrTiO $_{3}$是一种初期铁电体。据认为，SrTiO $_{3}$中的铁电稳定性受到量子涨落和反铁电畸变的微妙竞争的抑制。然而，铁电相可以通过掺杂、同位素操纵和应变工程等来稳定。迄今为止，观察到SrTiO $_{3}$薄膜中的铁电性存在于室温下--也就是说，当薄膜生长在特别设计的衬底上时，使用复杂的生长技术。在室温下，可以在特别设计的薄膜上写入和擦除铁电畴。在这里，我们显示出非常相似的铁电体（110）单晶体SrTiO $_{3}$没有特殊的工程以及室温以上使用piezoresponse力显微镜。局部电极化的强度的滞后切换被观察到，并且电活性域可以使用光刻技术在高达$420K$的非常高的温度下被写入和擦除。
2014-04-21 cond-mat.mtrl-sci
Enhancement of ferroelectricity at metal/oxide interfaces
通过对四种基于BaTiO 3和PbTiO 3的电容器结构进行第一性原理计算，我们确定了薄膜铁电器件中极性态不稳定的本征界面效应。我们发现，相反，建立的解释，界面电容取决于关键的局部化学环境的界面，通过力常数的金属氧化物键，并不一定与电极材料的体屏蔽性能。特别是，在AO-终止钙钛矿和简单的金属之间的界面的情况下，我们证明了一种新的机制“界面铁电性”，产生的铁电不稳定性的膜的整体增强，而不是抑制通常假设。由此产生的“负死层”建议的路线，薄膜铁电器件是免费的有害的尺寸效应。
2008-11-05 cond-mat.mtrl-sci
Ferroelectricity of Li-doped silver niobate (Ag,Li)NbO3
用X射线衍射技术、介电和极化测量研究了（Ag 1-xLix）NbO 3（ALN）固溶体的相演变。结果表明，少量的Ag被Li取代后，在室温下ABO_3-钙钛矿型氧化银晶体发生正交-菱面体结构转变。结构的改进表明，A-和B-位位移有助于自发极化的铁电相的对称性R3 c。随着Li含量的增加，铁电体菱面体畸变增强，导致铁电体的准铁电相变温度升高，固溶体极化增强。
2011-02-22 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.other
Origin of ferroelectricity and multiferroicity in binary oxide thin films
在二元氧化物薄膜中观察到铁电、铁磁和铁弹相引起了科学家和工程师的广泛兴趣。然而，所观察到的行为的物理性质的理论考虑主要是从第一性原理的HfO 2薄膜，并在朗道-金兹伯格-德文郡（LGD）的唯象方法的框架中，特别注意在这两种情况下的氧空位的作用。考虑到LGD理论的一般性，我们在这项工作中将其应用于二元氧化物组。已经在假设氧空位作为弹性偶极子可以由于缺陷位点诱导的和/或表面诱导的反转对称性破缺（经由例如压电效应）而部分地转变成电偶极子并且可以“迁移”超薄膜的整个深度的情况下执行了计算。计算了室温下不同膜厚下薄膜极化随外加电压的变化关系。由于许多二元氧化物膜是铁电和铁磁的，由于相同的氧空位，它们可以是多铁性的。计算表明，二元氧化物薄膜是一类新的多铁性材料，具有广泛的物理性质，可用于纳米电子学和纳米技术。通过选择氧空位浓度、膜厚和特殊的工艺处理如退火，可以控制薄膜的性能。
2020-12-05 cond-mat.mtrl-sci
Origin of ferroelectricity in magnesium doped zinc oxide
最近的实验表明，在镁掺杂氧化锌（ZMO）的纤锌矿结构的强大的铁电性，暗示在一个有前途的战略，大大扩大了铁电体的名单掺杂传统的压电。我们用第一性原理密度泛函理论研究了ZMO铁电性的起源。一般认为镁合金化可以软化ZMO的离子势能面以实现极化反转的观点过于简单化。我们的DFT计算表明，即使在高镁浓度，极性和非极性相之间的能量差（$ΔU$）仍然是禁止大的ZMO系统时，应变是固定的极性相。有趣的是，当允许应变弛豫时，$ΔU$的量值变得显著更小，随着Mg掺杂浓度的增加，接近典型的钙钛矿铁电体如PbTiO $_3$的值。启用ZMO系统的可切换性归因于MgO的六方相，其能量比其纤锌矿对应物低得多。详细的轨道和成键分析支持Zn的原子内$3d_{z^2}$ - $4p_z$轨道自混合在稳定极性纤锌矿相方面起着重要作用，其缺乏是MgO的低能非极性六方相的原因。
2022-07-28 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Causes of ferroelectricity in HfO$_{2}$-based thin films: An $\textit{ab initio}$ perspective
我们提出了一个全面的第一性原理研究掺杂氧化物，以了解铁电正交[001]晶粒的形成。假设在生长的早期阶段存在四方晶系晶粒，匹配平面分析表明，四方晶系[100]晶粒可以在热退火过程中转变为正交晶系[001]，当它们被其他晶粒横向限制时。结果表明，在0%、2%和4%Si掺杂中，4%掺杂为四方[100]晶向正交[001]晶转变提供了最佳条件。这也适用于Al掺杂。我们还表明，对于铪$_{x}$锆$_{1-x}$ O $_{2}$，我们已经研究了${x}=1.00,0.75,0.50,0.25,0.00$，值${x}=0.50$提供了最有利的条件所需的转换。为了使这种转变优于四斜晶系[100]到单斜晶系[100]的转变，还需要存在如由顶部电极提供的面外限制。我们的研究结果阐明了机制，导致铁电性的氧化铝基薄膜，并提供了一个解释常见的实验观察的最佳范围的掺杂Si：HfO $_{2}$，Al：HfO $_{2}$和Hf $_{x}$ Zr $_{1-x}$ O $_{2}$。我们还提出了模型薄膜异质结计算的Ir/HfO $_{2}$ /Ir堆栈，以隔离的界面效应，我们表明是显着的。
2019-04-02 cond-mat.mtrl-sci
Ferroelectricity promoted by cation/anion divacancies in SrMnO$_3$
采用密度泛函理论（DFT）研究了Sr-O空位对对SrMnO $_3$（SMO）电极化的强度的影响.这是由复合氧化物中的铁电性可以通过外延应变以及\textit{via}缺陷化学来工程化的指示激发的。我们的研究结果表明，本征掺杂的阳离子和阴离子双空位可以诱导局部极化在无应变的非极性SMO薄膜和铁电状态可以稳定低于临界应变的化学计量材料。这种极性通过与缺陷对相关的电偶极子及其与缺陷形成时的原子弛豫的耦合来促进，所述缺陷形成时的原子弛豫包围缺陷周围的区域。这表明极性缺陷对影响半导体反铁磁SMO中的应变相关铁电性。对于金属铁磁SMO，我们发现由于更强的电子屏蔽，缺陷偶极子和极化之间的耦合要弱得多。在足够高的浓度下耦合的缺陷对偶极子随着其可切换的取向，从而使他们成为一个有前途的路线，影响复杂的过渡金属氧化物薄膜的铁电转变。
2021-05-19 cond-mat.mtrl-sci
Investigation of Room Temperature Ferroelectricity and Ferrimagnetism in Multiferroic AlxFe2-xO3 Epitaxial Thin Films
多铁性材料开辟了在电子设备中设计新功能的可能性，具有低能耗。然而，很少有材料在室温下表现出多铁性，这对于实际使用至关重要。AlxFe_（2-x）O_3（x-AFO）薄膜属于k-Al_2 O_3家族，具有室温亚铁磁性和极性晶体结构。然而，由于薄膜电阻率低，在室温下很难实现其铁电性能。本文采用脉冲激光沉积法在SrTiO_3衬底上制备了低泄漏的x-AFO（0.5 <= x <= 1）外延薄膜<111>。磁性测量证实了室温亚铁磁性的薄膜，但居里温度被发现是由沉积条件的影响。第一性原理计算表明，铁电畴切换发生通过剪切面内的氧层，并预测了24 uC/cm 2的高极化值。然而，实际的铁电测量表明，极化是两个订单less. Presence的多个面内畴，反对相邻畴的极化切换，被认为是观察到的小极化的原因。比较介电弛豫研究和铁电表征表明，氧空位缺陷有助于畴壁运动，这反过来又有利于极化切换。
2019-03-27 cond-mat.mtrl-sci
Enhance Ferroelectric Structural Distortion via Doping Ca in Epitaxial h-Lu1-xCaxMnO3 Thin Films
该研究在蓝宝石上利用 h-ScFeO3 缓冲层制备 Ca 掺杂 h-LuMnO3 外延薄膜，发现 x≥0.2 可消除界面钳制并增强铁电几何畸变。
2024-08-06 cond-mat.mtrl-sci
Non-monotonic thickness dependence of Curie temperature and ferroelectricity in Two-dimensional SnTe film
最近，观察到原子薄膜SnTe的居里温度（Tc）高于体材料（Chang et.例如，Science 353，274（2016））极大地促进了对二维（2D）铁磁材料的研究。然而，这种现象的起源还没有得到彻底的研究，这阻碍了理解和设计的新材料的铁电秩序在2D极限。利用密度泛函理论研究了二维SnTe的结构和铁电性质，揭示了厚度依赖性。计算结果表明，由于表面效应的影响，二维SnTe自动转变为周期性的双层结构。此外，基于双阱势和原子畸变分析，我们发现二维SnTe的Tc高于体相对应物，更令人惊讶的是，Tc表现出不寻常的非单调的厚度依赖性，具有明显的原子畸变和居里温度最大值在8个原子层。此外，这种非单调的依赖性是敏感的外部应变，它可以很容易地调整由外部压应变。
2018-05-18 cond-mat.mtrl-sci
Polydomain ferroelectricity in very thin films [D.J. Kim et al., Phys.Rev.Lett. 95, 237602 (2005)]
T.W. Noh和他的小组（Kim等人：PRL，2005年）最近发表了一个开创性的实验研究非常薄的铁电（FE）钛酸钡电容器。他们发现了一个证据，证明他们所有的样品，包括最薄的一个（d=5 nm），都是多域（MD）的。在足够高的外场作用下，MD态转变为极化饱和态，可能是单畴（SD）态，当外场E_0小于一定值E_0= E_{0r}时，由于畴壁运动，MD态又弛豫回来。Kim等人已经近似地将这个场确定为由于电极的不完全屏蔽而引起的去极化场，并声称它与从静电学估计的场一致。我们发现，这样的解释并不适用，实际上在理论和实验之间存在非常有启发性的分歧。这些数据表明：（i）存在大量的默茨激活场，（ii）第一次直接观察到负磁化率的多畴膜，我们预测了一段时间前。
2006-08-11 cond-mat.mtrl-sci
Decisive role of oxygen vacancy in ferroelectric vs. ferromagnetic Mn-doped BaTiO3 thin films
单相钙钛矿5at.%采用脉冲激光沉积法在镀铂蓝宝石衬底上生长了Mn掺杂和未掺杂的多晶BaTiO 3薄膜。铁电性仅观察到Mn掺杂和未掺杂的钛酸钡薄膜在相对高的氧分压下生长。与未掺杂的BaTiO 3相比，Mn掺杂的BaTiO 3显示出低的漏电流、增加的介电损耗和降低的介电常数。在低氧分压下制备的Mn掺杂BaTiO 3薄膜具有铁磁性，这是由于束缚磁极化子（BMP）的形成。这种BMP的形成是由氧空位增强的。本工作证实了C. Ederer和N.铁电钙钛矿上的Spaldin [Nature Mat. 3，849（2004）]，其表明在Mn掺杂的BaTiO 3薄膜中，铁电性的存在与自发磁化的存在不相容。
2011-04-27 cond-mat.mtrl-sci
Emergence of strong room-temperature ferroelectricity and multiferroicity in 2D-Ti$_3$C$_2$T$_x$ free-standing MXene film
二维（2D）多铁性材料是智能技术发展的关键候选材料。在这里，我们采用了一种简单的合成方法来实现人们期待已久的开发铁电和多铁性2D材料的梦想，特别是在称为MXenes的新型材料中。蚀刻的Ti $_3$ C $_2$ T $_x$ MXene首先在HF处理之后合成，然后进行分层工艺以成功合成自支撑Ti $_3$ C $_2$ T $_x$膜。然后将自支撑膜在室温下暴露于空气以及在不同温度下加热以形成衍生自Ti $_3$ C $_2$ T $_x$ MXene本身的TiO $_2$层。TiO $_2$是一种初期铁电材料，具有复合铁电相。结构和形貌分析证实了自支撑膜的成功合成，拉曼光谱揭示了不同相的TiO $_2$的形成。铁电体的测量表明，在室温下的一个明确的极化滞后回线。此外，在薄膜中观察到的磁滞表明在室温下的铁电和铁磁相之间的耦合的可能性。还进行了磁电耦合测试，其显示在施加的磁场下的清晰的、可切换的自发极化。这是首次报道室温下二维自支撑MXene薄膜中存在铁电相和多铁性耦合，这开辟了室温下基于二维材料的电和磁数据存储应用的可能性。
2022-07-02 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
Effects of Growth Orientations and Epitaxial Strains on Phase Stability of HfO$_2$ Thin Films
铁电性在纯的和掺杂的$_2$基薄膜中的发现重新激发了将铁电体用于纳米器件应用的兴趣。为了利用这种硅兼容的铁电体，铁电性的起源和更好的方法来控制实现在纳米级的铁电性的基本问题，如需要解决。$_2$基薄膜中出现的强极化被认为是各种外在因素的累积效应，如小晶粒的有限尺寸效应和表面/界面效应、压应力、掺杂剂、氧空位和电场。在HfO $_2$中，相变的动力学效应及其对纳米尺度铁电性出现的潜在影响还没有很好的理解。本工作利用密度泛函理论和变胞轻推弹性带技术，构建了不同晶型的纳米材料之间的跃迁路径。我们发现，过渡势垒强烈地依赖于机械边界条件，从四方相到极性正交相的过渡是一个快速的动力学过程下夹紧。研究了生长取向和外延应变对HfO $_2$各相相对稳定性的影响。两个正交相，极性$Pca2_1$和非极性$Pbca$，在（111）取向的薄膜中在宽范围的外延应变条件下变得结晶稳定。这项工作提出了一个潜在的途径，以更好地稳定铁电相的HfO $_2$薄膜，通过衬底取向工程。
2019-05-11 cond-mat.mtrl-sci
Strain-Driven Structure-Ferroelectricity Relationship in hexagonal TbMnO$_3$ Films
六方锰氧化物薄膜及其异质结构作为一种有前途的多铁性材料，近年来引起了人们的极大兴趣。我们报道了高质量外延h-TMO/YSZ（111）薄膜的结构转变，通过各种表征技术进行了分析。用变温拉曼光谱和光学椭圆偏振光谱观察到了在TC~800 K温度范围内P63 mc到P63 mcm结构的相变。后者直接探测电子系统，表明其在结构相变的修改可能是由于从氧到Mn的电荷转移。透射电子显微镜（TEM）原位观察表明，在410 K时，铁电畴已经发生了不可逆的P63 mc-P63 mcm相变，铁电畴消失。在温度循环（300 K-1300 K-300 K）后，室温TEM显示h-TMO薄膜的微结构不均匀，包含分别具有P63 mc和P63 mcm结构的铁电和顺电纳米畴。我们指出了强烈的影响应力松弛，诱导温度和约束样品的几何形状上的结构和铁电性的应变稳定的h-TMO薄膜。
2020-06-02 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.str-el
Two-dimensional metallic ferroelectricity in PbTe monolayer by electrostatic doping
极性金属的铁电畸变和金属性同时并存的特点引起了人们的极大关注。在低维度下开发这样的材料仍然具有挑战性，因为传导电子和减小的维度都应该淬灭铁电性。在这里，基于第一性原理计算，我们报告的铁电行为的发现，在二维（2D）金属材料与静电掺杂，即使铁电性是非常规的原子尺度。我们发现PbTe单层膜是一种本征铁电体，其非中心对称的屈曲结构导致了明显的面外电极化的强度。在铁电单层中掺杂载流子可以保持铁电畸变，从而使掺杂的PbTe单层能够充当2D极性金属。从参数化的能量空间中提取有效哈密顿量，我们发现弹性-极性模相互作用对掺杂系统中存在鲁棒极性不稳定性具有重要意义.这种掺杂策略的应用并不局限于本晶体，而是相当普遍地应用于其他二维铁电体，以带来迷人的金属铁电性能。这一发现改变了人们对二维材料的传统认识，将有助于低维多功能材料的发展。
2020-03-21 cond-mat.mtrl-sci
Effects of Strain and Film Thickness on the Stability of the Rhombohedral Phase of HfO2
HfO_2基薄膜的铁电极化特性的发现，由于其在数据存储方面的潜在应用，引起了人们极大的兴趣。最近，一种新的R3m菱面体相被认为是导致[111]取向Hf0.5Zr0.5O2薄膜铁电性出现的原因，但对这种薄膜铁电极化的基本机制仍知之甚少。在本文中，我们采用密度泛函理论计算研究的R3m HfO2相的结构和偏振特性。我们发现，膜厚度和面内压缩应变效应在稳定R3m相中起着关键作用，从而导致[111]取向的R3m HfO2的强铁电性。
2020-01-24 cond-mat.mtrl-sci
Orbital ordering induced ferroelectricity in SrCrO3
采用密度泛函理论计算了SrTiO_3衬底上SrVO_3（d_1）和SrCrO_3（d_2）的多铁性。虽然两者都是金属的散装限制，他们被发现是绝缘的结果，轨道有序驱动的晶格畸变在100度极限。虽然SrVO 3中的畸变具有一阶Jahn-Teller起源，但SrCrO 3中的畸变本质上是铁电的。这种铁电性（FE）的途径导致与常规铁电体相当的极化。
2013-08-07 cond-mat.mtrl-sci
"Fraternal-twin" ferroelectricity: competing polar states in hydrogen-doped samarium nickelate from first principles
本研究利用第一性原理计算发现，氢掺杂钐镍酸盐中局域电子转移至相邻八面体的势垒极低，导致极化剧变，由此提出“异卵双生”非常规铁电体概念。
2020-07-03 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Scanning probe imaging of coexistent ferromagnetism and ferroelectricity at room temperature
通过标准铁电和铁磁磁滞回线测量和各种扫描探针显微镜，研究了名义成分为PbTi_（0.5）Fe_（0.5）O_（3-d）的新型材料的薄膜中铁磁性和铁电性的室温共存。磁畴和铁电畴都在材料的同一空间区域中观察到，这意味着在该系统中的相共存。对于这两个序参量，样品形态强烈影响畴壁的粗糙度。
2006-11-03 cond-mat.mtrl-sci
