Enabling ultra-low-voltage switching in BaTiO3

矫顽力 材料科学 薄膜 切换时间 电容器 光电子学 极化(电化学) 缩放比例 电压 铁电性 电介质 凝聚态物理 电气工程 纳米技术 物理 工程类 物理化学 化学 几何学 数学
作者
Yizhe Jiang,Eric Parsonnet,Alexander Qualls,Wenbo Zhao,Sandhya Susarla,David Pesquera,Arvind Dasgupta,Megha Acharya,Hongrui Zhang,Tanay A. Gosavi,Chia-Ching Lin,Dmitri E. Nikonov,Hai Li,Ian A. Young,R. Ramesh,Lane W. Martin
出处
期刊:Nature Materials [Nature Portfolio]
卷期号:21 (7): 779-785 被引量:131
标识
DOI:10.1038/s41563-022-01266-6
摘要

Single crystals of BaTiO3 exhibit small switching fields and energies, but thin-film performance is considerably worse, thus precluding their use in next-generation devices. Here, we demonstrate high-quality BaTiO3 thin films with nearly bulk-like properties. Thickness scaling provides access to the coercive voltages (<100 mV) and fields (<10 kV cm-1) required for future applications and results in a switching energy of <2 J cm-3 (corresponding to <2 aJ per bit in a 10 × 10 × 10 nm3 device). While reduction in film thickness reduces coercive voltage, it does so at the expense of remanent polarization. Depolarization fields impact polar state stability in thicker films but fortunately suppress the coercive field, thus driving a deviation from Janovec-Kay-Dunn scaling and enabling a constant coercive field for films <150 nm in thickness. Switching studies reveal fast speeds (switching times of ~2 ns for 25-nm-thick films with 5-µm-diameter capacitors) and a pathway to subnanosecond switching. Finally, integration of BaTiO3 thin films onto silicon substrates is shown. We also discuss what remains to be demonstrated to enable the use of these materials for next-generation devices.
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