journal article·2025

Structure, properties and applications of HfO 2 -based piezoelectric films

Yong Huang, Wenbin Tang, Xiao Xu, Shicheng Ding, Xinhua Xu, Guoliang Yuan

Nanoscale· Volume 17· Issue 34
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Abstract

Recently, metal element doped HfO2 ultrathin films, i.e. Hf1-xAxO2 (A = Zr, Si, La, Y, Sr, Al, Ta, etc.), have garnered significant attention in the pursuit of developing ferroelectric memory. Hf1-xAxO2 ferroelectric films also exhibit strong piezoelectricity, with direct piezoelectric coefficients (d33) exceeding 37 pC N-1. Moreover, epitaxial strain and polarization switching can modulate the converse piezoelectric coefficient () from positive to negative values. By utilizing Hf1-xAxO2 piezoelectric films, a wide variety of actuators, resonators, sensors, and other energy conversion devices can be manufactured. Importantly, high-quality, large-size Hf1-xAxO2 films can be grown using atomic layer deposition (ALD) with an annealing temperature of ≤500 °C, which aligns with MEMS fabrication technology at the level of the CMOS backend-of-line (BEOL). Integrating MEMS/NEMS devices with CMOS chips can significantly improve the speed of operation and data collection, opening new possibilities for advanced electronic systems in future.
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Research context

OpenAlex topics: Ferroelectric and Negative Capacitance Devices · Semiconductor materials and devices · Machine Learning in Materials Science

SciVX discovery tags are terminology-based. OpenAlex topics are source-provided classifications.

Affiliations

College of Science, Jinling Institute of Technology, Nanjing 211169, China

School of Materials Science and Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China

Funding

National Natural Science Foundation of China

References (65)

Show source-provided references
1. Haider · IEEE Access · 2023 · 11 · 5877910.1109/ACCESS.2023.3276716 ↗
2. Weng · IEEE Sens. J. · 2020 · 20 · 700110.1109/JSEN.2020.2979283 ↗
3. Proto · Micromachines · 2022 · 13 · 212710.3390/mi13122127 ↗
4. Rathod · Electronics · 2019 · 8 · 16910.3390/electronics8020169 ↗
5. Kusano · J. Microelectromech. Syst. · 2018 · 27 · 29610.1109/JMEMS.2018.2797684 ↗
6. Maouhoub · Diamond Relat. Mater. · 2016 · 62 · 710.1016/j.diamond.2015.12.004 ↗
7. S.Shelton , M.-L.Chan , H.Park , D.Horsley , B.Boser , I.Izyumin , R.Przybyla , T.Frey , M.Judy and K.Nunan
8. Pinto · J. Microelectromech. Syst. · 2022 · 31 · 50010.1109/JMEMS.2022.3172766 ↗
9. Park · Adv. Mater. · 2023 · 35 · 220490410.1002/adma.202204904 ↗
10. Zagni · Proc. IEEE · 2023 · 111 · 15810.1109/JPROC.2023.3234607 ↗
11. Wang · Science · 2023 · 381 · 55810.1126/science.adf6137 ↗
12. Wu · IEEE J. Solid-State Circuits · 2024 · 59 · 20810.1109/JSSC.2023.3320659 ↗
13. Böscke · Appl. Phys. Lett. · 2011 · 99 · 11290410.1063/1.3636434 ↗
14. Ghatge · Nat. Electron. · 2019 · 2 · 50610.1038/s41928-019-0305-3 ↗
15. Barson · Nano Lett. · 2017 · 17 · 149610.1021/acs.nanolett.6b04544 ↗
16. Ali · Adv. Funct. Mater. · 2022 · 32 · 220173710.1002/adfm.202201737 ↗
17. Mart · Adv. Electron. Mater. · 2020 · 6 · 190101510.1002/aelm.201901015 ↗
18. Cheema · Nature · 2020 · 580 · 47810.1038/s41586-020-2208-x ↗
19. Narayan · Nat. Mater. · 2018 · 17 · 42710.1038/s41563-018-0060-2 ↗
20. Chen · Appl. Phys. Rev. · 2022 · 9 · 01130710.1063/5.0066607 ↗
21. Liu · J. Alloys Compd. · 2023 · 968 · 17208310.1016/j.jallcom.2023.172083 ↗
22. Guberna · ACS Appl. Mater. Interfaces · 2023 · 16 · 97510.1021/acsami.3c11141 ↗
23. Kirbach · Appl. Phys. Lett. · 2021 · 118 · 01290410.1063/5.0026990 ↗
24. S.Kirbach , K.Kühnel and W.Weinreich
25. Müller · J. Appl. Phys. · 2011 · 110 · 11411310.1063/1.3667205 ↗
26. Chernikova · Appl. Phys. Lett. · 2016 · 108 · 24290510.1063/1.4953787 ↗
27. Tang · Ceram. Int. · 2019 · 45 · 314010.1016/j.ceramint.2018.10.214 ↗
28. B.Ku , S.Choi , Y.Song and C.Choi
29. Luo · Appl. Phys. Lett. · 2021 · 119 · 04290210.1063/5.0055068 ↗
30. Lueng · J. Appl. Phys. · 2000 · 88 · 536010.1063/1.1317244 ↗
31. Stoeckel · J. Appl. Phys. · 2014 · 116 · 03410210.1063/1.4887799 ↗
32. Uehara · APL Mater. · 2024 · 12 · 12110210.1063/5.0236507 ↗
33. Ghosh · Mater. Express · 2013 · 3 · 31910.1166/mex.2013.1134 ↗
34. Verma · J. Am. Ceram. Soc. · 2021 · 104 · 196610.1111/jace.17606 ↗
35. Czekaj · J. Eur. Ceram. Soc. · 2001 · 21 · 160910.1016/S0955-2219(01)00076-0 ↗
36. Zhang · J. Mater. Sci.: Mater. Electron. · 2024 · 35 · 298
37. Tao · Mater. Adv. · 2022 · 3 · 485110.1039/D2MA00072E ↗
38. Brennan · Nano Lett. · 2017 · 1 · 546410.1021/acs.nanolett.7b02123 ↗
39. Wang · ACS Appl. Mater. Interfaces · 2020 · 12 · 5166210.1021/acsami.0c16039 ↗
40. Zhou · Nat. Commun. · 2024 · 15 · 289310.1038/s41467-024-47194-8 ↗
41. Li · Nano Lett. · 2023 · 23 · 467510.1021/acs.nanolett.3c00085 ↗
42. Walke · IEEE Electron Device Lett. · 2024 · 45 · 57810.1109/LED.2024.3368225 ↗
43. Alcala · Adv. Funct. Mater. · 2023 · 33 · 230326110.1002/adfm.202303261 ↗
44. Kaiser · ACS Appl. Electron. Mater. · 2023 · 5 · 75410.1021/acsaelm.2c01255 ↗
45. Kang · ACS Appl. Mater. Interfaces · 2024 · 16 · 295410.1021/acsami.3c15732 ↗
46. Lefki · J. Appl. Phys. · 1994 · 76 · 176410.1063/1.357693 ↗
47. Zhang · Micromachines · 2022 · 13 · 58110.3390/mi13040581 ↗
48. Tan · J. Mater. Chem. C · 2023 · 11 · 721910.1039/D3TC01145C ↗
49. Falkowski · ACS Appl. Mater. Interfaces · 2020 · 12 · 3291510.1021/acsami.0c08310 ↗
50. Tan · Appl. Surf. Sci. · 2023 · 607 · 15499110.1016/j.apsusc.2022.154991 ↗
51. Lyu · Appl. Phys. Lett. · 2018 · 113 · 08290210.1063/1.5041715 ↗
52. Jing · npj Comput. Mater. · 2024 · 10 · 16010.1038/s41524-024-01354-y ↗
53. You · Sci. Adv. · 2019 · 5 · eaav378010.1126/sciadv.aav3780 ↗
54. Dutta · Nat. Commun. · 2021 · 12 · 730110.1038/s41467-021-27480-5 ↗
55. Katsouras · Nat. Mater. · 2016 · 15 · 7810.1038/nmat4423 ↗
56. Lu · Nat. Commun. · 2024 · 15 · 86010.1038/s41467-024-44690-9 ↗
57. Zhang · Appl. Phys. Lett. · 2024 · 125 · 20290110.1063/5.0239212 ↗
58. Cheng · Nat. Commun. · 2024 · 15 · 39410.1038/s41467-023-44207-w ↗
59. LaHaye · Science · 2004 · 304 · 7410.1126/science.1094419 ↗
60. Jensen · Nat. Nanotechnol. · 2008 · 3 · 53310.1038/nnano.2008.200 ↗
61. H.Bhugra and G.Piazza , Piezoelectric MEMS resonators , Springer International Publishing , 2017
62. Ramezany · Nano Lett. · 2018 · 18 · 255110.1021/acs.nanolett.8b00242 ↗
63. Villanueva · Nano Lett. · 2011 · 11 · 505410.1021/nl2031162 ↗
64. Zheng · ACS Appl. Mater. Interfaces · 2022 · 14 · 3680710.1021/acsami.2c08414 ↗
65. Li · Appl. Phys. Lett. · 2023 · 122 · 08290110.1063/5.0131355 ↗