Experimental evidence of ferroelectric negative capacitance in nanoscale heterostructures

铁电性 负阻抗变换器 电容 材料科学 异质结 电介质 凝聚态物理 纳米尺度 微分电容 双层 光电子学 纳米技术 电压 物理 电极 化学 量子力学 生物化学 电压源
作者
Asif Islam Khan,Debanjan Bhowmik,Pu Yu,Sung Joo Kim,Xiaoqing Pan,R. Ramesh,Sayeef Salahuddin
出处
期刊:Applied Physics Letters [American Institute of Physics]
卷期号:99 (11) 被引量:331
标识
DOI:10.1063/1.3634072
摘要

We report a proof-of-concept demonstration of negative capacitance effect in a nanoscale ferroelectric-dielectric heterostructure. In a bilayer of ferroelectric Pb(Zr0.2Ti0.8)O3 and dielectric SrTiO3, the composite capacitance was observed to be larger than the constituent SrTiO3 capacitance, indicating an effective negative capacitance of the constituent Pb(Zr0.2Ti0.8)O3 layer. Temperature is shown to be an effective tuning parameter for the ferroelectric negative capacitance and the degree of capacitance enhancement in the heterostructure. Landau’s mean field theory based calculations show qualitative agreement with observed effects. This work underpins the possibility that by replacing gate oxides by ferroelectrics in nanoscale transistors, the sub threshold slope can be lowered below the classical limit (60 mV/decade).
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