基于第一性原理的电场作用下 HfO$_2$ 中的相竞争

本工作中，利用第一性原理密度泛函理论计算的结果，构建了 HfO$_2$ 及其 Y 和 Zr 替代衍生物作为对称性适配晶格模振幅函数的能量景观。这些复杂的能量景观具有多个局域极小，对应于四方相、oIII ($Pca2_1$) 相和 oIV ($Pmn2_1$) 相。我们发现，非极性四方相与铁电 oIII 相之间的能垒可通过 Y 和 Zr 替代而降低。在具有有序阳离子排布的 Hf$_{0.5}$Zr$_{0.5}$O$_2$ 中，Zr 替代使 oIV 相不稳定，并成为四方相到 oIII 相转变中的中间态。利用这些能量景观，我们解释了针对具有不同场方向选择的电场循环所计算出的结构转变与滞回回线。还讨论了这些结果对解释实验观测（如唤醒效应和分裂效应）的意义。这些结果与分析加深了我们对 HfO$_2$ 基薄膜中铁电性起源与场循环行为的理解，并使我们能够提出改善其功能特性的策略。