Defects and ferroelectricity in LaWN3

Abstract

I jakten på bedre og mer pålitelige minneenheter, har det blitt lagt stor innsats i utviklingen av ferroelektriske enheter til non-volatile random-access memory (NVRAM). Fordelen ferroelektrisk random-access memory (FeRAM) har over annen NVRAM teknologi er at den bruker mindre energi og har god holdbarhet, men FeRAM enheter har begrenset lagringstetthet. For å øke lagringstettheten har forskere prøvd å bruke ferroelektriske domenevegger i stedet for domenene til datalagring. Praktisk bruk av FeRAM som bruker domenevegger har fortsatt utfordringer med lav strøm fra domeneveggene.

LaWN3 er et ferroelektrisk nitrid-perovskitt som viser potensiale for elektrisk ledende domenevegger. Det er tidligere vist at båndgapet i strukturen er avhengig av posisjonen til wolframatomet i nitrogen oktaederet. I domeneveggen bytter polariseringen retning og wolframatomet flytter seg nærmere sentrum av oktaederet. Endringen i posisjonen til wolframatomet vil gi et mindre båndgap og økt ledningsevne i domeneveggene sammenlignet med bulk. Vinkelen i den primitive enhentscellen i LaWN3 ligger nært den ideelle 60 graders vinkelen, noe som medfører at de ferroelastiske 71° og 109° domeneveggene også kan dannes sammen med 180° domeneveggen.

Domeneveggene og defekter i LaWN3 har blitt undersøkt med ab initio beregninger ved å benytte density functional theory. Strukturelle parametere ble fulgt for de forskjellige domeneveggene og dannelsesenergien ble beregnet. For å studere muligheten for ledende domenevegger i LaWN3 ble layer-resolved densities of states beregnet. Dannelsesenergien for iboende defekter og oksygensubsititusjon av nitrogenatomet ble beregnet for forskjellige kjemiske potensialene i stabilitetsvinduet for LaWN3. Overgangstilstandsdiagrammer ble laget for de ulike defektene og nudged elastic band beregninger ble utført på nitrogen- og lantan-vakanser i strukturen, for å få bedre forståelse for defektkjemien i nitrid-perovskitter.

Dannelsesenergien var lavest for 71° domeneveggen som sannsynligvis vil dominere. En signifikant reduksjon i båndgapet fra bulk ble funnet for alle domeneveggene, med metallisk density of states for 180° domeneveggen. Dette indikerer en signifikant økning i ledningsevne for domeneveggen sammenlignet med bulk. Av defektene hadde nitrogenvakansene lavest dannelsesenergi med en overgangstilstand til en nøytral defekt nær ledningsbåndet. Det er derfor sannsynlig at en signifikant mengde ladningsbærere vil bli introdusert i strukturen gjennom defekter. Migrasjonsbarrieren for nitrogenvakanser i LaWN3 var overraskende lav, noe som kan betyr at nitrogenvakansene samler seg i domeneveggene, og at LaWN3 ikke har bedre termiske stabiliteten enn oksid-perovskitter som forventet.

For å konkludere, viser alle domeneveggene en stor reduksjon i båndgap, noe som betyr at LaWN3 kan potensielt brukes som ferroelektrisk minne teknologi i stedet for dagens beste teknologi. Migrasjonsbarrieren som ble funnet for defekter i LaWN3 er lik hva som er observert i oksid-perovskitter, noe som indikerer at LaWN3 har lik termisk stabilitet sammenlignet som oksid-perovskitter.

In the pursuit of better and more reliable memory devices, significant efforts have been spent on the development of ferroelectric devices as non-volatile random-access memory (NVRAM). Ferroelectric random-access memory (FeRAM) has the advantage over other NVRAM technologies by having a low power consumption and excellent endurance, but FeRAM devices are limited in storage density. To increase the storage density of FeRAM, researchers have tried to use ferroelectric domain walls instead of the domains to store data. However, practical use of FeRAM using domain walls remain challenging due to low conductivity in the domain walls.

LaWN3 is a ferroelectric perovskite nitride that shows potential for having conducting domain walls. From previous work, the band gap in the structure has been closely linked to the position of the tungsten atom in the nitrogen octahedra. In the domain wall, the polarization switches direction and the position of the tungsten atom will be closer to the center of the octahedron. This shift in the tungsten position results in a lower band gap and enhanced conductivity of the domain wall compared to bulk. Because the angle of the primitive unit cell in LaWN3 is close to the ideal 60 degree cell angle, the ferroelastic 71 ° and 109 °domain walls will likely be formed together with the 180 ° domain wall.

The domain walls and defects in LaWN3 have been investigated with first-principle calculations using density functional theory. Structural parameters were followed for the different domain walls and the formation energy was calculated. To study the possibility of conducting domain walls in LaWN3, layer-resolved densities of states were calculated. The formation energy of intrinsic defects and oxygen substitution of nitrogen was calculated for different chemical potentials in the stability window of LaWN3. Transition level diagrams were constructed for various defects and nudged elastic band calculations were performed on nitrogen and lanthanum vacancies in the structure, to get a better understanding of the defect chemistry of nitride perovskites.

The 71 ° domain wall had the lowest formation energy and is thus likely to dominate. A significant reduction in the band gap from the bulk state was found for all the domain walls, with the 180 °domain wall showing a metallic density of states in the domain wall. This indicates a significant increase in the conductivity of the domain wall compared to bulk. Nitrogen vacancies had the lowest formation energy of the considered defects with a transition level to a neutral defect close to the conduction band. Therefore, it is likely that a significant amount of charge carriers is introduced into the structure through defects. The migration barrier for nitrogen vacancies in LaWN3 is surprisingly low, which may result in an accumulation of nitrogen vacancies in the domain wall, and that LaWN3 does not exhibit the predicted better thermal stability than oxygen perovskites.

To conclude, the large reduction in the band gap observed in the domain walls in LaWN3 suggests that LaWN3 could potentially be used in ferroelectric memory devices instead of the current state-of-the-art. The migration barrier found for defects in LaWN3 are similar to what is found in oxide perovskites, suggesting that LaWN3 has similar refractory stability compared to the oxide counterparts.