The origin of stability and ferroelectricity in non-stoichiometric rhombohedral Hf(Zr)1+xO2

铪基氧化物(Hf(Zr)O2)因其优异的铁电性质而成为计算机存储等应用中备受青睐的材料. 然而, 化学计量比的铪基氧化物基态是非铁电的单斜相. 在密度泛函理论计算中, 我们发现插入铪或锆原子将随着插入浓度的增加, 将Hf(Zr)O2的基态从单斜相转变为三方相. 声子色散和态密度投影揭示了插入的Hf(Zr)原子消除了已有的非等效Hf(Zr)原子之间的竞争, 从而稳定了r相. 此外, Hf/Zr插层原子的有序分布进一步降低了形成能和铁电转换势垒, 导致高耐久性和超低的矫顽场. 能带结构显示, Hf/Zr插层原子引起的局域平带对漏电流的贡献最小. 最后, 我们证明了ZrO2对于形成非化学计量比的Hf(Zr)1+xO2至关重要.