HfO$_{2}$基薄膜中铁电性的成因：第一性原理视角

我们提出一项关于掺杂二氧化铪的全面第一性原理研究，以理解铁电正交晶系 [001] 晶粒的形成。假设在生长早期存在四方晶系晶粒，匹配平面分析表明，当四方晶系 [100] 晶粒被其他晶粒横向限制时，其在热退火过程中可转变为正交晶系 [001]。我们表明，在 0%、2% 和 4% Si 掺杂中，4% 掺杂为四方晶系 [100] 到正交晶系 [001] 的转变提供了最佳条件。对于 Al 掺杂同样成立。我们还表明，对于 Hf$_{x}$Zr$_{1-x}$O$_{2}$（我们研究了 ${x}=1.00,0.75,0.50,0.25,0.00$），${x}=0.50$ 为所需转变提供了最有利的条件。为使该转变优于四方晶系 [100] 到单斜晶系 [100] 的转变，还需存在由顶电极提供的面外限制。我们的发现阐明了二氧化铪基薄膜中铁电性的成因机制，并为 Si:HfO$_{2}$、Al:HfO$_{2}$ 和 Hf$_{x}$Zr$_{1-x}$O$_{2}$ 中掺杂最优范围的常见实验观测提供了解释。我们还给出了 Ir/HfO$_{2}$/Ir 叠层的模型薄膜异质结构计算，以隔离界面效应，其结果显示该效应十分显著。