Les matériaux ferroélectriques qui présentent une polarisation électrique renversable sous l’application d’un champ électrique sont devenus une brique essentielle pour le développement des composants dans des domaines variés allant de l’électronique aux capteurs et transducteurs en passant par la spintronique. Récemment, il a été montré que contrairement aux ferroélectriques actuels qui souffrent des conséquences de la miniaturisation, les matériaux à base de HfO₂, déjà utilisés comme oxyde de grille dans les technologies CMOS, deviennent non seulement ferroélectriques mais leur polarisation se renforce d’autant plus que les dimensions se réduisent. Cependant, ces matériaux, bien que prometteurs, présentent un mécanisme de  ferroélectricité qui reste encore à élucider.

En collaboration avec le groupe de B. Noheda (University of Groningen) et de J. Íñiguez (LIST),  nous avons montré que des couches minces d’épaisseurs inférieures à 10nm de Hf_0.5Zr_0.5O₂ épitaxiées sur des substrats (001)- La_0.7Sr_0.3MnO₃/SrTiO₃, présentent une très forte polarisation de 34 µC/cm² qui ne nécessite aucun cycle dit d’éveil, habituellement nécessaire pour développer la polarisation dans ces matériaux. En effet, ces films, qui sont dans un état de contraintes compressives et essentiellement orientés selon la direction [111], ne possèdent pas la symétrie orthorhombique communément reportée dans la littérature mais une symétrie rhombohédrique. La découverte de cette nouvelle phase ferroélectrique stabilisée par le rôle combiné de l’effet de taille et de la contrainte permet d’envisager une approche analogue pour induire une polarisation forte dans des matériaux simples qui jusque-là n’avaient jamais été considérés comme potentiellement ferroélectriques.

Ces travaux, publiés dans Nature Materials, ont été menés dans le cadre du projet phare AXION.

(Gauche) Polarisation (noir) et courant corrigé (bleu) d’une couche de 5 nm de Hf_0.5Zr_0.5O₂ (HZO) en fonction du champ appliqué à 1 kHz. (Milieu) Image de microscopie HAADF-STEM d’une couche de 9 nm observée le long de l’axe de zone [110] montrant un domaine d’orientation [111] de HZO. (Droite) Image de diffraction électronique (SAED) selon l’axe de zone [111] de la couche 9 nm-HZO montrant un jeu de deux ensembles de 6 tâches de diffraction (cercles jaunes et bleus) qui sont toutes de type {220} attestant de la symétrie rhombohédrique.

Référence: A rhombohedral ferroelectric phase in epitaxially strained Hf0.5Zr0.5O2 thin films
Y. Wei, P. Nukala, M. Salverda, S. Matzen, H. J. Zhao, J. Momand, A. S. Everhardt, G. Agnus, G. R. Blake, P. Lecoeur, B. J. Kooi, J. Íñiguez, B. Dkhil and B. Noheda

Nature Materials (2018).

Contacts NanoSaclay: Sylvia Matzen, C2N et Brahim Dkhil, CentraleSupélec

Collaborations:

•    Zernike Institute for Advanced Materials, University of Groningen, Pays-Bas
•    Materials Research and Technology Department, Luxembourg Institute of Science and Technology (LIST), Luxembourg.