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R-15
2017

網羅的ソフトモードフォノン探索によるHfO2薄膜の強誘電性の理論計算


技術のポイント

網羅的ソフトモードフォノン探索を行うことにより蛍石型HfO2薄膜の強誘電性の起源について検討

基礎研究


背景
半導体の次世代ゲート絶縁膜として研究されている蛍石型HfO2は薄膜形態にて強誘電性を示すことから近年注目を集めている。しかしながら、その強誘電性発現機構の詳細は充分に理解されていない

目的
本研究では数千構造の計算を自動的に行い網羅的ソフトモードフォノン探索を行うことにより蛍石型HfO2の強誘電性の起源について検討を行った

成果
(1) 蛍石型HfO2の高温相であるFm3m相では正方晶P42/nmc相への相転移を引き起こすソフトモードが存在しP42/nmc相へ相転移する
(2) 正方晶P42/nmc相では強誘電相である斜方晶Pca21相へつながるソフトモードも存在する
(3) バルク形態にて観測される正方晶P42/nmc相から単斜晶P21/c相への一次相転移を薄膜形態で抑制することにより正方晶P42/nmc相から強誘電相への相転移が実現されていると考察


計算方法: 網羅的ソフトモードフォノン探索計算*
*A. Togo and I. Tanaka, Phys. Rev. B, 87, 184104-1-6 (2013).
薄膜HfO2P-Eヒステリシスループ実験値
大きな自発分極が観察されている
Fm3m相HfO2のPhonon計算結果.
P42/nmc相への相転移を引き起こすソフトモードが存在する



期待される適用分野
強誘電相転移メカニズムの解明
新規強誘電体材料の開発

謝辞 本研究は、JST「情報統合型物質・材料開発イニシアティブ(MI2I)」にて実施したものである



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