Nives Štrkalj je s kolegama sa Sveučilišta u Cambridgeu objavila članak u časopisu Advanced Materials, u kojem su opazili indirektni odnos između polarizacije i elektrokemijskog stanja feroelektričnih filmova temeljenima na HfO₂. Filmovi s nižom polarizacijom pokazuju značajnije elektrokemijske promjene pri promjeni polarizacije, pružajući dokaz o intrinzičnim polarnim stanjima.

Depth-Resolved X-Ray Photoelectron Spectroscopy Evidence of Intrinsic Polar States in HfO₂-Based Ferroelectrics

Megan O. Hill, Ji Soo Kim, Moritz L. Müller, Dibya Phuyal, Sunil Taper, Manisha Bansal, Maximilian T. Becker, Babak Bakhit, Tuhin Maity, Bartomeu Monserrat, Giuliana Di Martino, Nives Strkalj, Judith L. MacManus-Driscoll, Adv. Mater. 36, 2408572 (2024).

DOI: https://doi.org/10.1002/adma.202408572

Otkriće feroelektričnosti u oksidnim filmovima temeljenima na HfO₂ potaknulo je zanimanje za razumijevanje porijekla njihove polarizacije. Iako je pokazano da se promjena smjera polarizacije i elektrokemijske reakcije javljaju paralelno, njihov međusobni odnos bio je nejasan. Ovo istraživanje koristi spektroskopiju rendgenskih fotoelektrona s dubinskom osjetljivošću za ispitivanje promjena u elektrokemijskim stanjima koje nastaju tijekom promjene smjera polarizacije. Usporedbom Hf_0.88La_0.04Ta_0.08O₂ (HLTO) i Hf_0.5Zr_0.5O₂ (HZO) filmova, ekvivalentne strukture i usporedivog prosječnog ionskog radijusa, utvrđeno je da filmovi s nižom polarizacijom pokazuju značajnije elektrokemijske promjene pri promjeni polarizacije. Ovo sugerira indirektni odnos između polarizacije i elektrokemijskog stanja time pružajući dokaz o intrinzičnim polarnim stanjima.

Iznenađujuća razlika između HLTO i HZO filmova leži u redoks reakciji koju HZO prolazi pod utjecajem električnog polja, dok HLTO ne pokazuje takvo ponašanje. Naša opažanja otkrivaju da HLTO, unatoč većoj polarizaciji od HZO-a, prolazi kroz znatno manju elektrokemijsku modifikaciju pri primjeni električnog polja. Električno polje potiče reorganizaciju kisika, pri čemu kemija materijala, stanje naboja i struktura uređaja određuju rezultirajuće promjene. Ovaj rad ukazuje na manju važnost reorganizacije kisika u jednom ciklusu promjene polarizacije te pruža dokaze za intrinzičnu prirodu polarnih stanja u feroelektricima temeljenima na HfO₂.

Slika 1: Prikaz mjerenja spektroskopije rendgenskih fotoelektrona (XPS) s promjenjivom energijom za pristup različitim dubinama heterostrukture. Prikaz elektrokemijskih stanja u filmovima Hf_0.88La_0.04Ta_0.08O₂ (HLTO) i Hf_0.5Zr_0.5O₂ (HZO) pri polarizaciji usmjerenoj prema i nasuprot površini uzorka.