The Coupling of Ferroelectric Polarization and Oxygen Vacancy Migration Enables Electrically Controlled Thermal Memories

D Dídac Barneo (Departament de Física de la Matèria Condensada Universitat de Barcelona Barcelona Spain) M Miquel Royo (Institut de Ciència de Materials de Barcelona (ICMAB-CSIC), Campus UAB 27 , 08193 Bellaterra,) R Rafael Ramos J Jesús Carrete (Instituto de Nanociencia y Materiales de Aragón (INMA) CSIC‐Universidad de Zaragoza Zaragoza Spain) H Hugo Romero‐Bernad (Instituto de Nanociencia y Materiales de Aragón (INMA) CSIC‐Universidad de Zaragoza Zaragoza Spain) R Ricardo Jimenez V Víctor Leborán (Centro Singular en Química Biolóxica e Materiais Moleculares (CiQUS) Universidade de Santiago de Compostela Santiago de Compostela Spain) C César Magén (Instituto de Nanociencia y Materiales de Aragón (INMA) CSIC‐Universidad de Zaragoza Zaragoza Spain) N Noa Varela‐Domínguez (Centro Singular en Química Biolóxica e Materiais Moleculares (CiQUS) Universidade de Santiago de Compostela Santiago de Compostela Spain) M Miguel Algueró (Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (CSIC) Madrid Spain) R Riccardo Rurali (Institut de Ciència de Materials de Barcelona ICMAB‐CSIC Campus UAB Bellaterra Spain) J José A. Pardo (Instituto de Nanociencia y Materiales de Aragón (INMA) CSIC‐Universidad de Zaragoza Zaragoza Spain) F Francisco Rivadulla (Centro Singular De Investigación en Química Biolóxica e Materiais Moleculares (CiQUS), Departamento de Química‐Física Universidade De Santiago De Compostela Santiago de Compostela Spain) E Eric Langenberg (Departament de Física de la Matèria Condensada Universitat de Barcelona Barcelona Spain)

Abstract

ABSTRACT Here we investigate epitaxial Hf 0.5 Zr 0.5 O 2 ferroelectric thin films as potential candidates to be used as non‐volatile electric‐field‐modulated thermal memories. The electric‐field dependence of the thermal conductivity of metal/Hf 0.5 Zr 0.5 O 2 /Y 2 O 3 :ZrO 2 devices is found to be hysteretic—resembling a polarization vs. electric field hysteresis loop—, reaching a maximum (minimum) at large applied positive (negative) electric fields from the top metallic electrode. This dynamic thermal response is compatible with the effects of the coupling between the ferroelectric polarization and oxygen ion migration in the Hf 0.5 Zr 0.5 O 2 layer, in which the oxygen vacancies are the main phonon scattering centers and the polarization acts as an electrically active ion migration barrier that creates the hysteresis. This new mechanism enables two non‐volatile states: high (ON) and low (OFF) thermal conductivity states when the electric field is removed, with an ON/OFF ratio of 1.6, which can be switched with applied voltages lower than ‐5 and +5 V, respectively. Both the ON and OFF states exhibit high stability over time, though the switching speed is limited by ion mobility in the Y 2 O 3 :ZrO 2 electrode.

Article Details

Volume / Issue Vol. 38, Issue 24
Published April 01, 2026
ISSN 0935-9648
Publisher Unknown Publisher

Journal Info

Advanced Materials

Unknown Publisher

ISSN: 0935-9648 Physical Sciences

Authors (14)

D

Dídac Barneo

Departament de Física de la Matèria Condensada Universitat de Barcelona Barcelona Spain

M

Miquel Royo

Institut de Ciència de Materials de Barcelona (ICMAB-CSIC), Campus UAB 27 , 08193 Bellaterra,

R

Rafael Ramos

J

Jesús Carrete

Instituto de Nanociencia y Materiales de Aragón (INMA) CSIC‐Universidad de Zaragoza Zaragoza Spain

H

Hugo Romero‐Bernad

Instituto de Nanociencia y Materiales de Aragón (INMA) CSIC‐Universidad de Zaragoza Zaragoza Spain

R

Ricardo Jimenez

V

Víctor Leborán

Centro Singular en Química Biolóxica e Materiais Moleculares (CiQUS) Universidade de Santiago de Compostela Santiago de Compostela Spain

C

César Magén

Instituto de Nanociencia y Materiales de Aragón (INMA) CSIC‐Universidad de Zaragoza Zaragoza Spain

N

Noa Varela‐Domínguez

Centro Singular en Química Biolóxica e Materiais Moleculares (CiQUS) Universidade de Santiago de Compostela Santiago de Compostela Spain

M

Miguel Algueró

Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (CSIC) Madrid Spain

R

Riccardo Rurali

Institut de Ciència de Materials de Barcelona ICMAB‐CSIC Campus UAB Bellaterra Spain

J

José A. Pardo

Instituto de Nanociencia y Materiales de Aragón (INMA) CSIC‐Universidad de Zaragoza Zaragoza Spain

F

Francisco Rivadulla

Centro Singular De Investigación en Química Biolóxica e Materiais Moleculares (CiQUS), Departamento de Química‐Física Universidade De Santiago De Compostela Santiago de Compostela Spain

E

Eric Langenberg

Departament de Física de la Matèria Condensada Universitat de Barcelona Barcelona Spain