Revelando los mecanismos ferroeléctricos impulsados por defectos del nitruro de aluminio

Área de la Ciencia:

• Ciencia de los materiales Ciencia de los materiales.
• Física de la materia condensada Física de la materia condensada
• Química del estado sólido.

Sus antecedentes:

• Los Wurtzite III-nitruros son compatibles con CMOS, pero su estructura polar resiste la ferroelectricidad.
• El interés industrial en los nitritos ferroeléctricos III es alto, sin embargo, lograr la inversión de la polarización es un desafío.
• Los métodos convencionales para inducir la ferroelectricidad a menudo implican la sustitución catiónica.

Objetivo del estudio:

• Para inducir y afinar las propiedades ferroeléctricas en el nitruro de aluminio wurtzita (w-AlN).
• Explorar la ingeniería de defectos a nanoescala a través del procesamiento de haces de iones como una alternativa a la sustitución catiónica.
• Investigar el impacto de los defectos inducidos por la radiación en el comportamiento piezoeléctrico y ferroeléctrico.

Principales métodos:

• Procesamiento de haz de iones de helio (He +) enfocado de escritura directa para la ingeniería de defectos a nanoescala.
• Espectroscopia nanométrica de piezorespuesta para medir cambios de propiedades localizadas.
• Análisis atomístico utilizando la teoría funcional de la densidad de banda elástica nudged (DFT) y simulaciones de campo de fuerza reactiva.

Principales resultados:

• Se observó una mejora localizada de 10 veces en la respuesta piezónica efectiva y una reducción del 40% en la barrera de conmutación observada en Al0.92B0.08N.
• Los defectos puntuales inducidos por la irradiación (vacaciones y complejos de nitrógeno) convierten el AlN piezoeléctrico en ferroeléctrico.
• Aumento de la susceptibilidad dieléctrica, polarización conmutada y coeficiente piezoeléctrico efectivo.
• Las interacciones mejoradas de la red de defectos aumentan la conducción de la portadora y la dispersión de fonones, pero preservan la cristalinidad.

Conclusiones:

• La ingeniería de defectos a nanoescala a través del procesamiento de haces de iones es un método eficaz después del crecimiento para lograr la ferroelectricidad en w-AlN.
• Las vacantes de nitrógeno y los complejos de defectos interrumpen el ordenamiento de los enlaces, lo que permite la conmutación de polarización de baja barrera.
• Este enfoque ofrece una ruta prometedora para el desarrollo de materiales ferroeléctricos compatibles con CMOS.