DOI: https://doi.org/10.1063/5.0313769
تاريخ النشر: 2026-02-16
المؤلف: Atsuhiro Tamai وآخرون
الموضوع الرئيسي: المواد الفيروكهربائية والبيزوكهربائية
نظرة عامة
في هذه الدراسة، استكشف المؤلفون تأثيرات التوصيل المشترك لـ Ce و Mn على الخصائص الكهروضغطية لأفلام Zn$_{1-x}$(Ce,Mn)$_x$O الرقيقة الموجهة على محور c. أشارت النتائج إلى أن زيادة تركيز التوصيل (Ce,Mn) أدت إلى انخفاض في طول المحور c وزيادة في طول المحور a، مما نتج عنه نسبة c/a تبلغ 1.581 عند 7% توصيل. أدت إضافة Mn إلى تقليل التيار المتسرب وخسارة العزل بشكل كبير، مما عزز الخصائص الكهروضغطية للمادة. ومن الجدير بالذكر أن الأفلام الموصلة بنسبة 7%-15% (Ce,Mn) أظهرت كهربائية ضغط واضحة، حيث تجاوزت قيم الاستقطاب المتبقي ($P_r$) 80 µC/cm² وبلغت قيمة المجال الكهربائي القسري ($E_c$) حوالي 2.5 MV/cm، والتي ظلت ثابتة عبر مستويات توصيل مختلفة.
كما درست الدراسة اعتماد الكهرباء الضغطية على السماكة في أفلام Zn(Ce,Mn)O الموصلة بنسبة 11%. لوحظ انخفاض في $P_r$ للأفلام التي تقل سماكتها عن 50 نانومتر، ومع ذلك تم تأكيد الكهرباء الضغطية عند سماكة 30 نانومتر، مع $P_r$ يبلغ 15 µC/cm². عند هذه السماكة، تم تقليل جهد تبديل الاستقطاب بشكل ملحوظ إلى حوالي 9 فولت. تم التحقق من الطبيعة الكهروضغطية للأفلام التي تبلغ سماكتها 30 نانومتر من خلال ملاحظات تبديل الاستقطاب باستخدام مجهر القوة البيزوالكتريكية، مما يبرز الإمكانية لهذه المواد في تطبيقات الأفلام الرقيقة.
DOI: https://doi.org/10.1063/5.0313769
Publication Date: 2026-02-16
Author(s): Atsuhiro Tamai et al.
Primary Topic: Ferroelectric and Piezoelectric Materials
Overview
In this study, the authors explored the effects of Ce and Mn co-doping on the ferroelectric properties of c-axis-oriented Zn$_{1-x}$(Ce,Mn)$_x$O epitaxial thin films. The results indicated that increasing the (Ce,Mn) doping concentration led to a decrease in the c-axis length and an increase in the a-axis length, resulting in a c/a ratio of 1.581 at 7% doping. The introduction of Mn significantly reduced leakage current and dielectric loss, enhancing the material’s ferroelectric characteristics. Notably, films doped with 7%-15% (Ce,Mn) exhibited clear ferroelectricity, with remanent polarization ($P_r$) values exceeding 80 µC/cm² and a coercive electric field ($E_c$) of approximately 2.5 MV/cm, which remained consistent across different doping levels.
The study further examined the thickness dependence of ferroelectricity in the 11% (Ce,Mn)-doped Zn(Ce,Mn)O thin films. A reduction in $P_r$ was observed for films thinner than 50 nm, yet ferroelectricity was still confirmed at a thickness of 30 nm, with a $P_r$ of 15 µC/cm². At this thickness, the polarization switching voltage was notably reduced to around 9 V. The ferroelectric nature of the 30 nm-thick films was validated through polarization switching observations using piezoresponse force microscopy, highlighting the potential for these materials in thin-film applications.