Critical thickness for ferroelectricity in perovskite ultrathin films

铁电性 材料科学 微电子 钙钛矿(结构) 偶极子 凝聚态物理 电极 光电子学 薄膜 电介质 纳米技术 化学 结晶学 物理 物理化学 有机化学
作者
Javier Junquera,Philippe Ghosez
出处
期刊:Nature [Nature Portfolio]
卷期号:422 (6931): 506-509 被引量:1646
标识
DOI:10.1038/nature01501
摘要

The integration of ferroelectric oxide films into microelectronic devices, combined with the size reduction constraints imposed by the semiconductor industry, have revived interest in the old question concerning the possible existence of a critical thickness for ferroelectricity. Current experimental techniques have allowed the detection of ferroelectricity in perovskite films down to a thickness of 40 A (ten unit cells), ref. 3. Recent atomistic simulations have confirmed the possibility of retaining the ferroelectric ground state at ultralow thicknesses, and suggest the absence of a critical size. Here we report first-principles calculations on a realistic ferroelectric-electrode interface. We show that, contrary to current thought, BaTiO3 thin films between two metallic SrRuO3 electrodes in short circuit lose their ferroelectric properties below a critical thickness of about six unit cells (approximately 24 A). A depolarizing electrostatic field, caused by dipoles at the ferroelectric-metal interfaces, is the reason for the disappearance of the ferroelectric instability. Our results suggest the existence of a lower limit for the thickness of useful ferroelectric layers in electronic devices.
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