(Hf, Zr)O2 铁电体中非常规的极化翻转机制

基于 HfO$_{2}$ 的铁电薄膜因其在铁电器件中的应用前景而备受关注。预测极化的终极大小并理解其翻转机制对实现这些器件的最优性能至关重要。本文采用广义固态可变晶胞微动弹性带（VCNEB）方法预测 (Hf, Zr)O$_{2}$ 铁电体中与畴壁运动相关的翻转路径。研究发现，三配位 O 原子穿过由 Hf/Zr 原子平面定义的名义晶胞边界的极化反转路径，比 O 原子不穿过这些平面的常规路径在能量上更有利。这一发现意味着 HfO$_{2}$ 及其衍生物的斜方 Pca2$_{1}$ 相中的极化取向与通常假设的方向相反，预测约 70 ${\mu}$C/cm$^{2}$ 的自发极化大小，比普遍接受的值大约 50%，意味着正的本征纵向压电系数，并表明响应外加电场的铁电畴生长结构上与通常预期的反向。这些结果为理解基于 HfO$_{2}$ 的铁电体的铁电性提供了重要见解。