Photoinduced reductions in the oxygen vacancy concentration were leveraged to increase the ferroelectric phase fraction of Hf0.5Zr0.5O2 thin-films. Modest ( ) laser doses of visible light (488 nm, 2.54 eV) spatially patterned the concentration of oxygen vacancies as monitored by photoluminescence imaging. Local, tip-based, near-field, nanoFTIR measurements showed that the photoinduced oxygen vacancy concentration reduction promoted formation of the ferroelectric phase (space group ), resulting in an increase in the piezoelectric response measured by piezoresponse force microscopy. Photoinduced vacancy tailoring provides, therefore, a spatially prescriptive, post-synthesis, and low-entry method to modify phase in HfO2-based materials.
REFERENCES
1.
T. S.
Böscke
,
J.
Müller
,
D.
Bräuhaus
,
U.
Schröder
, and
U.
Böttger
, Appl. Phys. Lett.
99
, 102903
(2011
).2.
J.
Müller
,
T. S.
Böscke
,
U.
Schröder
,
S.
Mueller
,
D.
Bräuhaus
,
U.
Böttger
,
L.
Frey
, and
T.
Mikolajick
, Nano Lett.
12
, 4318
(2012
).3.
U.
Schroeder
,
M. H.
Park
,
T.
Mikolajick
, and
C. S.
Hwang
, Nat. Rev. Mater.
7
, 653
(2022
).4.
E.
Covi
,
S.
Lancaster
,
S.
Slesazeck
,
V.
Deshpande
,
T.
Mikolajick
, and
C.
Dubourdieu
, in IEEE International Conference on Flexible and Printable Sensors and Systems FLEPS
(
IEEE
, 2022
).5.
S. S.
Cheema
,
D.
Kwon
,
N.
Shanker
,
R.
dos Reis
,
S.-L.
Hsu
,
J.
Xiao
,
H.
Zhang
,
R.
Wagner
,
A.
Datar
,
M. R.
McCarter
,
C. R.
Serrao
,
A. K.
Yadav
,
G.
Karbasian
,
C.-H.
Hsu
,
A. J.
Tan
,
L.-C.
Wang
,
V.
Thakare
,
X.
Zhang
,
A.
Mehta
,
E.
Karapetrova
,
R. V.
Chopdekar
,
P.
Shafer
,
E.
Arenholz
,
C.
Hu
,
R.
Proksch
,
R.
Ramesh
,
J.
Ciston
, and
S.
Salahuddin
, Nature
580
, 478
(2020
).6.
J. F.
Ihlefeld
,
S. T.
Jaszewski
, and
S. S.
Fields
, Appl. Phys. Lett.
121
, 240502
(2022
).7.
J.
Müller
,
U.
Schröder
,
T. S.
Böscke
,
I.
Müller
,
U.
Böttger
,
L.
Wilde
,
J.
Sundqvist
,
M.
Lemberger
,
P.
Kücher
,
T.
Mikolajick
, and
L.
Frey
, J. Appl. Phys.
110
, 114113
(2011
).8.
J.
Müller
,
T. S.
Böscke
,
D.
Bräuhaus
,
U.
Schröder
,
U.
Böttger
,
J.
Sundqvist
,
P.
Kücher
,
T.
Mikolajick
, and
L.
Frey
, Appl. Phys. Lett.
99
, 112901
(2011
).9.
U.
Schroeder
,
C.
Richter
,
M. H.
Park
,
T.
Schenk
,
M.
Pešić
,
M.
Hoffmann
,
F. P. G.
Fengler
,
D.
Pohl
,
B.
Rellinghaus
,
C.
Zhou
,
C.-C.
Chung
,
J. L.
Jones
, and
T.
Mikolajick
, Inorg. Chem.
57
, 2752
(2018
).10.
T.
Shiraishi
,
K.
Katayama
,
T.
Yokouchi
,
T.
Shimizu
,
T.
Oikawa
,
O.
Sakata
,
H.
Uchida
,
Y.
Imai
,
T.
Kiguchi
,
T. J.
Konno
, and
H.
Funakubo
, Appl. Phys. Lett.
108
, 262904
(2016
).11.
S.
Zhou
,
J.
Zhang
, and
A. M.
Rappe
, Sci. Adv.
8
, eadd5953
(2022
).12.
S. S.
Fields
,
T.
Cai
,
S. T.
Jaszewski
,
A.
Salanova
,
T.
Mimura
,
H. H.
Heinrich
,
M. D.
Henry
,
K. P.
Kelley
,
B. W.
Sheldon
, and
J. F.
Ihlefeld
, Adv. Electron. Mater.
8
, 2200601
(2022
).13.
S. T.
Jaszewski
,
E. R.
Hoglund
,
A.
Costine
,
M. H.
Weber
,
S. S.
Fields
,
M. G.
Sales
,
J.
Vaidya
,
L.
Bellcase
,
K.
Loughlin
,
A.
Salanova
,
D. A.
Dickie
,
S. L.
Wolfley
,
M. D.
Henry
,
J.-P.
Maria
,
J. L.
Jones
,
N.
Shukla
,
S. J.
McDonnell
,
P.
Reinke
,
P. E.
Hopkins
,
J. M.
Howe
, and
J. F.
Ihlefeld
, Acta Mater.
239
, 118220
(2022
).14.
T.
Mittmann
,
M.
Materano
,
S.-C.
Chang
,
I.
Karpov
,
T.
Mikolajick
, and
U.
Schroeder
, in IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM)
(
IEEE
, 2020
).15.
A.
Pal
,
V. K.
Narasimhan
,
S.
Weeks
,
K.
Littau
,
D.
Pramanik
, and
T.
Chiang
, Appl. Phys. Lett.
110
, 022903
(2017
).16.
A.
Jan
,
T.
Rembert
,
S.
Taper
,
J.
Symonowicz
,
N.
Strkalj
,
T.
Moon
,
Y. S.
Lee
,
H.
Bae
,
H. J.
Lee
,
D.-H.
Choe
,
J.
Heo
,
J.
MacManus-Driscoll
,
B.
Monserrat
, and
G. D.
Martino
, Adv. Funct. Mater.
33
, 2214970
(2023
).17.
P.
Nukala
,
M.
Ahmadi
,
Y.
Wei
,
S.
de Graaf
,
E.
Stylianidis
,
T.
Chakrabortty
,
S.
Matzen
,
H. W.
Zandbergen
,
A.
Björling
,
D.
Mannix
,
D.
Carbone
,
B.
Kooi
, and
B.
Noheda
, Science
372
, 630
(2021
).18.
M.
Hoffmann
,
U.
Schroeder
,
T.
Schenk
,
T.
Shimizu
,
H.
Funakubo
,
O.
Sakata
,
D.
Pohl
,
M.
Drescher
,
C.
Adelmann
,
R.
Materlik
,
A.
Kersch
, and
T.
Mikolajick
, J. Appl. Phys.
118
, 072006
(2015
).19.
J.
Chai
,
H.
Xu
,
J.
Xiang
,
Y.
Zhang
,
L.
Zhou
,
S.
Zhao
,
F.
Tian
,
J.
Duan
,
K.
Han
,
X.
Wang
,
J.
Luo
,
W.
Wang
,
T.
Ye
, and
Y.
Guo
, J. Appl. Phys.
132
, 105301
(2022
).20.
A.
Mallick
,
M. K.
Lenox
,
T. E.
Beechem
,
J. F.
Ihlefeld
, and
N.
Shukla
, Appl. Phys. Lett.
122
, 132902
(2023
).21.
Y.
Cheng
,
Z.
Gao
,
K. H.
Ye
,
H. W.
Park
,
Y.
Zheng
,
Y.
Zheng
,
J.
Gao
,
M. H.
Park
,
J.-H.
Choi
,
K.-H.
Xue
,
C. S.
Hwang
, and
H.
Lyu
, Nat. Commun.
13
, 645
(2022
).22.
W.
Hamouda
,
F.
Mehmood
,
T.
Mikolajick
,
U.
Schroeder
,
T. O.
Mentes
,
A.
Locatelli
, and
N.
Barrett
, Appl. Phys. Lett.
120
, 202902
(2022
).23.
R.
Alcala
,
M.
Materano
,
P. D.
Lomenzo
,
P.
Vishnumurthy
,
W.
Hamouda
,
C.
Dubourdieu
,
A.
Kersch
,
N.
Barrett
,
T.
Mikolajick
, and
U.
Schroeder
, Adv. Funct. Mater.
33
, 2303261
(2023
).24.
S. S.
Fields
,
S. W.
Smith
,
C. M.
Fancher
,
M. D.
Henry
,
S. L.
Wolfley
,
M. G.
Sales
,
S. T.
Jaszewski
,
M. A.
Rodriguez
,
G.
Esteves
,
P. S.
Davids
,
S. J.
McDonnell
, and
J. F.
Ihlefeld
, Adv. Mater. Interfaces
8
, 2100018
(2021
).25.
R.
Cao
,
Y.
Wang
,
S.
Zhao
,
Y.
Yang
,
X.
Zhao
,
W.
Wang
,
X.
Zhang
,
H.
Lv
,
Q.
Liu
, and
M.
Liu
, IEEE Electron Device Lett.
39
, 1207
(2018
).26.
N.
Tasneem
,
H.
Kashyap
,
K.
Chae
,
C.
Park
,
P.-c.
Lee
,
S. F.
Lombardo
,
N.
Afroze
,
M.
Tian
,
H.
Kumarasubramanian
,
J.
Hur
,
H.
Chen
,
W.
Chern
,
S.
Yu
,
P.
Bandaru
,
J.
Ravichandran
,
K.
Cho
,
J.
Kacher
,
A. C.
Kummel
, and
A. I.
Khan
, ACS Appl. Mater. Interfaces
14
, 43897
(2022
).27.
W.
Hamouda
,
C.
Lubin
,
S.
Ueda
,
Y.
Yamashita
,
O.
Renault
,
F.
Mehmood
,
T.
Mikolajick
,
U.
Schroeder
,
R.
Negrea
, and
N.
Barrett
, Appl. Phys. Lett.
116
, 252903
(2020
).28.
F.
Fujishiro
and
S.
Mochizuki
, J. Phys.: Conf. Ser.
21
, 142
(2005
).29.
D.
Glass
,
E.
Cortés
,
S.
Ben-Jaber
,
T.
Brick
,
W. J.
Peveler
,
C. S.
Blackman
,
C. R.
Howle
,
R.
Quesada-Cabrera
,
I. P.
Parkin
, and
S. A.
Maier
, Adv. Sci.
6
, 1901841
(2019
).30.
J. K.
Jeong
, J. Mater. Res.
28
, 2071
(2013
).31.
S. S. N.
Bharadwaja
,
A.
Rajashekhar
,
S. W.
Ko
,
W.
Qu
,
M.
Motyka
,
N.
Podraza
,
T.
Clark
,
C. A.
Randall
, and
S.
Trolier-McKinstry
, J. Appl. Phys.
119
, 024106
(2016
).32.
L.
Stagi
,
C. M.
Carbonaro
,
R.
Corpino
,
D.
Chiriu
, and
P. C.
Ricci
, Phys. Status Solidi B
252
, 124
(2015
).33.
S. S.
Fields
,
D. H.
Olson
,
S. T.
Jaszewski
,
C. M.
Fancher
,
S. W.
Smith
,
D. A.
Dickie
,
G.
Esteves
,
M. D.
Henry
,
P. S.
Davids
,
P. E.
Hopkins
, and
J. F.
Ihlefeld
, Appl. Phys. Lett.
118
, 102901
(2021
).34.
M. M.
Hussain
,
N.
Moumen
,
J.
Barnett
,
J.
Saulters
,
D.
Baker
, and
Z.
Zhang
, Electrochem. Solid-State Lett.
8
, G333
(2005
).35.
P. D.
Lomenzo
,
Q.
Takmeel
,
C.
Zhou
,
C. M.
Fancher
,
E.
Lambers
,
N. G.
Rudawski
,
J. L.
Jones
,
S.
Moghaddam
, and
T.
Nishida
, J. Appl. Phys.
117
, 134105
(2015
).36.
S. T.
Jaszewski
,
S.
Calderon
,
B.
Shrestha
,
S. S.
Fields
,
A.
Samanta
,
F. J.
Vega
,
J. D.
Minyard
,
J. A.
Casamento
,
J.-P.
Maria
,
N. J.
Podraza
,
E. C.
Dickey
,
A. M.
Rappe
,
T. E.
Beechem
, and
J. F.
Ihlefeld
, ACS Nano
17
, 23944
(2023
).37.
T.
Tharpe
,
X.-Q.
Zheng
,
P. X.-L.
Feng
, and
R.
Tabrizian
, Adv. Eng. Mater.
23
, 2101221
(2021
).38.
K. P.
Kelley
,
A. N.
Morozovska
,
E. A.
Eliseev
,
Y.
Liu
,
S. S.
Fields
,
S. T.
Jaszewski
,
T.
Mimura
,
S.
Calderon
,
E. C.
Dickey
,
J. F.
Ihlefeld
, and
S. V.
Kalinin
, Nat. Mater.
22
, 1144
(2023
).39.
H. A.
Bechtel
,
S. C.
Johnson
,
O.
Khatib
,
E. A.
Muller
, and
M. B.
Raschke
, Surf. Sci. Rep.
75
, 100493
(2020
).40.
S.
Starschich
,
S.
Menzel
, and
U.
Böttger
, Appl. Phys. Lett.
108
, 032903
(2016
).41.
S. S.
Fields
,
S. W.
Smith
,
S. T.
Jaszewski
,
T.
Mimura
,
D. A.
Dickie
,
G.
Esteves
,
M.
David Henry
,
S. L.
Wolfley
,
P. S.
Davids
, and
J. F.
Ihlefeld
, J. Appl. Phys.
130
, 134101
(2021
).42.
A. A.
Govyadinov
,
I.
Amenabar
,
F.
Huth
,
P. S.
Carney
, and
R.
Hillenbrand
, J. Phys. Chem. Lett.
4
, 1526
(2013
).© 2024 Author(s). Published under an exclusive license by AIP Publishing.
2024
Author(s)
You do not currently have access to this content.