Hf0.5Zr0.5O2 (HZO) thin films have been deposited on (110)-oriented SrTiO3 (STO) substrates buffered with epitaxial La0.7Sr0.3MnO3 (LSMO) by pulsed laser deposition. The HZO/LSMO/STO heterostructures show smooth surface and clear interface. It is observed that ferroelectric orthorhombic HZO is enhanced, as non-polar tetragonal HZO is suppressed with the increasing LSMO thickness or decreasing HZO thickness. Completely orthorhombic HZO films are achieved with desired LSMO and HZO thickness. These HZO films are (111)-oriented with in-plane [2¯11] and [01¯1] directions along LSMO [11¯0] and [001], respectively, and exhibit ferroelectric properties at room temperature with an optimized remanent polarization around 26 μC/cm2 without the need of a wake-up process, a long retention up to 104 s and a fatigue endurance up to 109 cycles. Epitaxial HfO2-based films with robust ferroelectric properties deposited on (110)-oriented STO substrates provide additional opportunities to understand the profound effects of orientation, strain, and interface microstructures on the metastable polar phases and ferroelectric properties of HfO2 thin films.

1.
T. S.
Böscke
,
J.
Mller
,
D.
Bräuhaus
,
U.
Schröder
, and
U.
Böttger
,
Appl. Phys. Lett.
99
,
102903
(
2011
).
2.
J.
Muller
,
P.
Polakowski
,
S.
Mueller
, and
T.
Mikolajick
,
ECS J. Solid State Sci. Technol.
4
,
N30
(
2015
).
3.
S.
Cheema
,
D.
Kwon
,
N.
Shanker
,
R.
Dos Reis
,
S.-L.
Hsu
,
J.
Xiao
,
H.
Zhang
,
R.
Wagner
,
A.
Datar
, and
M. R.
McCarter
,
Nature
580
,
478
482
(
2020
).
4.
H.
Lee
,
M.
Lee
,
K.
Lee
,
J.
Jo
,
H.
Yang
,
Y.
Kim
,
S.
Chae
,
U.
Waghmare
, and
J.
Lee
,
Science
369
,
1343
1347
(
2020
).
5.
S.
Dünkel
,
M.
Trentzsch
,
R.
Richter
,
P.
Moll
,
C.
Fuchs
,
O.
Gehring
,
M.
Majer
,
S.
Wittek
,
B.
Müller
,
T.
Melde
,
H.
Mulaosmanovic
,
S.
Slesazeck
,
S.
Müller
,
J.
Ocker
,
M.
Noack
,
D.-A.
Löhr
,
P.
Polakowski
,
J.
Müller
,
T.
Mikolajick
,
J.
Höntschel
,
B.
Rice
,
J.
Pellerin
, and
S.
Beyer
, in
International Electron Devices Meeting (IEDM)
(
IEEE
,
2017
), pp.
19.7.1
19.7.4
.
6.
B.
Prasad
,
V.
Thakare
,
A.
Kalitsov
,
Z.
Zhang
,
B.
Terris
, and
R.
Ramesh
,
Adv. Electron. Mater.
7
,
2001074
(
2021
).
7.
H.
Yoong
,
H.
Wu
,
J.
Zhao
,
H.
Wang
,
R.
Guo
,
J.
Xiao
,
B.
Zhang
,
P.
Yang
,
S.
Pennycook
,
N.
Deng
,
X.
Yan
, and
J.
Chen
,
Adv. Funct. Mater.
28
,
1806037
(
2018
).
9.
H.
Garrett
,
Am. Ceram. Soc. Bull.
42
,
201
(
1963
).
10.
B.
Hudak
,
S.
Depner
,
G.
Waetzig
,
A.
Talapatra
,
R.
Arroyave
,
S.
Banerjee
, and
B.
Guiton
,
Nat. Commun.
8
,
15316
(
2017
).
11.
S.
Ushakov
,
A.
Navrotsky
,
Y.
Yang
,
S.
Stemmer
,
K.
Kukli
,
M.
Ritala
,
M.
Leskel
,
P.
Fejes
,
A.
Demkov
,
C.
Wang
,
B.
Nguyen
,
D.
Triyoso
, and
P.
Tobin
,
Phys. Status Solidi B
(
2004
).
12.
T.
Shiraishi
,
K.
Katayama
,
T.
Yokouchi
,
T.
Shimizu
,
T.
Oikawa
,
O.
Sakata
,
H.
Uchida
,
Y.
Imai
,
T.
Kiguchi
,
T.
Konno
, and
H.
Funakubo
,
Appl. Phys. Lett.
108
,
262904
(
2016
).
13.
J.
Müller
,
T.
Böscke
,
U.
Schröder
,
S.
Mueller
,
D.
Brauhaus
,
U.
Böttger
,
L.
Frey
, and
T.
Mikolajick
,
Nano Lett.
12
,
4318
4323
(
2012
).
14.
S.
Mueller
,
J.
Mueller
,
A.
Singh
,
S.
Riedel
,
J.
Sundqvist
,
U.
Schroeder
, and
T.
Mikolajick
,
Adv. Funct. Mater.
22
,
2412
2417
(
2012
).
15.
J.
Müller
,
U.
Schröder
,
T.
Böscke
,
I.
Müller
,
U.
Böttger
,
L.
Wilde
,
J.
Sundqvist
,
M.
Lemberger
,
P.
Kücher
,
T.
Mikolajick
, and
L.
Frey
,
J. Appl. Phys.
110
,
114113
(
2011
).
16.
A.
Kashir
and
H.
Hwang
,
Phys. Status Solidi A
218
,
2000819
(
2021
).
17.
M.
Park
,
H.
Kim
,
Y.
Kim
,
T.
Moon
, and
C.
Hwang
,
Appl. Phys. Lett.
104
,
072901
(
2014
).
18.
S.
Dey
,
K.
Tapily
,
S.
Consiglio
,
R.
Clark
,
C.
Wajda
,
G.
Leusink
,
A.
Woll
, and
A.
Diebold
,
J. Appl. Phys.
120
,
125304
(
2016
).
19.
V.
Mukundan
,
S.
Consiglio
,
D.
Triyoso
,
K.
Tapily
,
S.
Schujman
,
C.
Mart
,
T.
Kampfe
,
W.
Weinreich
,
J.
Jordan-Sweet
,
R.
Clark
,
G.
Leusink
, and
A.
Diebold
,
Appl. Phys. Lett.
117
,
262905
(
2020
).
20.
V.
Mukundan
,
S.
Consiglio
,
D.
Triyoso
,
K.
Tapily
,
M.
McBriarty
,
S.
Schujman
,
K.
Beckmann
,
J.
Hazra
,
V.
Kaushik
,
N.
Cady
,
R.
Clark
,
G.
Leusink
, and
A.
Diebold
,
Phys. Status Solidi A
218
,
2100024
(
2021
).
21.
T.
Mimura
,
T.
Shimizu
,
H.
Uchida
,
O.
Sakata
, and
H.
Funakubo
,
Appl. Phys. Lett.
113
,
102901
(
2018
).
22.
Z.
Zhang
,
S.
Hsu
,
V.
Stoica
,
H.
Paik
,
E.
Parsonnet
,
A.
Qualls
,
J.
Wang
,
L.
Xie
,
M.
Kumari
,
S.
Das
,
Z.
Leng
,
M.
McBriarty
,
R.
Proksch
,
A.
Gruverman
,
D.
Schlom
,
L.
Chen
,
S.
Salahuddin
,
L.
Martin
, and
R.
Ramesh
,
Adv. Mater.
33
,
2006089
(
2021
).
23.
L.
Bégon-Lours
,
M.
Mulder
,
P.
Nukala
,
S.
Graaf
,
Y.
Birkhölzer
,
B.
Kooi
,
B.
Noheda
,
G.
Koster
, and
G.
Rijnders
,
Phys. Rev. Mater.
4
,
043401
(
2020
).
24.
Y.
Wei
,
P.
Nukala
,
M.
Salverda
,
S.
Matzen
,
H. J.
Zhao
,
J.
Momand
,
A.
Everhardt
,
G. R.
Blake
,
P.
Lecoeur
,
B. J.
Kooi
,
J.
Íñiguez
,
B.
Dkhil
, and
B.
Noheda
,
Nat. Mater.
17
,
1095
(
2018
).
25.
X.
Li
,
C.
Li
,
Z.
Xu
,
Y.
Li
,
Y.
Yang
,
H.
Hu
,
Z.
Jiang
,
J.
Wang
,
J.
Ren
,
C.
Zheng
,
C.
Lu
, and
Z.
Wen
,
Phys. Status Solidi RRL
15
,
2000481
(
2021
).
26.
J.
Lyu
,
I.
Fina
,
R.
Solanas
,
J.
Fontcuberta
, and
F.
Sánchez
,
Appl. Phys. Lett.
113
,
082902
(
2018
).
27.
P.
Nukala
,
Y.
Wei
,
V.
Haas
,
Q.
Guo
,
J.
Antoja-Lleonart
, and
B.
Noheda
,
Ferroelectrics
569
,
148
163
(
2020
).
28.
S.
Estandía
,
J.
Gàzquez
,
M.
Varela
,
I.
Fina
, and
F.
Sánchez
,
J. Mater. Chem. C
9
,
3486
3492
(
2021
).
29.
S.
Estandía
,
T.
Cao
,
R.
Mishra
,
I.
Fina
,
F.
Sánchez
, and
J.
Gazquez
,
Phys. Rev. Mater.
5
,
074410
(
2021
).
30.
Z.
Quan
,
B.
Wu
,
F.
Zhang
,
G.
Zhou
,
J.
Zang
, and
X.
Xu
,
Appl. Phys. Lett.
110
,
072405
(
2017
).
31.
H.
Boschker
,
J.
Kautz
,
E.
Houwman
,
W.
Siemons
,
D.
Blank
,
M.
Huijben
,
G.
Koster
,
A.
Vailionis
, and
G.
Rijnders
,
Phys. Rev. Lett.
109
,
157207
(
2012
).
32.
I.
Fina
and
F.
Sánchez
,
ACS Appl. Electron. Mater.
3
,
1530
1549
(
2021
).
33.
S.
Liu
and
B.
Hanrahan
,
Phys. Rev. Mater.
3
,
054404
(
2019
).
34.
L.
Li
,
Y.
Ji
,
Z.
Diao
,
J.
Zhang
, and
Z.
Liao
,
Appl. Phys. Lett.
117
,
122404
(
2020
).
35.
L.
Chen
,
Z.
Wang
,
G.
Wang
,
H.
Guo
,
M.
Saghayezhian
,
Z.
Liao
,
Y.
Zhu
,
E.
Plummer
, and
J.
Zhang
,
Phys. Rev. Mater.
3
,
044407
(
2019
).
36.
M.
Park
,
H.
Kim
,
Y.
Kim
,
W.
Lee
,
T.
Moon
, and
C.
Hwang
,
Appl. Phys. Lett.
102
,
242905
(
2013
).
37.
M.
Treacy
,
Microsc. Microanal.
17
,
847
858
(
2011
).
38.
S.
Estandía
,
N.
Dix
,
M.
Chisholm
,
I.
Fina
, and
F.
Sánchez
,
Cryst. Growth Des.
20
,
3801
3806
(
2020
).
39.
T.
Song
,
R.
Bachelet
,
G.
Saint-Girons
,
N.
Dix
,
I.
Fina
, and
F.
Sánchez
,
J. Mater. Chem. C
9
,
12224
12230
(
2021
).
40.
N.
Pertsev
,
J.
Contreras
,
V.
Kukhar
,
B.
Hermanns
,
H.
Kohlstedt
, and
R.
Waser
,
Appl. Phys. Lett.
83
,
3356
(
2003
).
41.
J.
Steffesa
,
R.
Ristaub
,
R.
Ramesh
, and
B.
Huey
,
Proc. Natl. Acad. U. S. A.
116
,
2413
(
2019
).
42.
H.
Kay
and
J.
Dunn
,
Philos. Mag.
7
,
2027
(
1962
).
43.
M.
Ghoneim
,
M.
Zidan
,
M.
Alnassar
,
A.
Hanna
,
J.
Kosel
,
K.
Salama
, and
M.
Hussain
,
Adv. Electron. Mater.
1
,
1500045
(
2015
).
44.
Y.
Kim
,
J.
Jo
,
D.
Kim
,
Y.
Chang
,
J.
Lee
,
T.
Noh
,
T.
Song
,
J.
Yoon
,
J.
Chung
,
S.
Baik
,
Y.
Kim
, and
C.
Jung
,
Appl. Phys. Lett.
88
,
072909
(
2006
).
45.
A.
Khan
,
A.
Keshavarzi
, and
S.
Datta
,
Nat. Electron.
3
,
588
597
(
2020
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.