Photoinduced reductions in the oxygen vacancy concentration were leveraged to increase the ferroelectric phase fraction of Hf0.5Zr0.5O2 thin-films. Modest ( 2 77 pJ / cm 2) 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 Pca 2 1), 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.

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
).
You do not currently have access to this content.