Scaling of structure and electrical properties in ultrathin epitaxial ferroelectric heterostructures

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作者
V. Nagarajan,Javier Junquera,Jiaqing He,Chun‐Lin Jia,Rainer Waser,K. Lee,Y. K. Kim,S. Baik,Tianqi Zhao,R. Ramesh,Philippe Ghosez,Karin M. Rabe
出处
期刊:Journal of Applied Physics [American Institute of Physics]
卷期号:100 (5) 被引量:116
标识
DOI:10.1063/1.2337363
摘要

Scaling of the structural order parameter, polarization, and electrical properties was investigated in model ultrathin epitaxial SrRuO3∕PbZr0.2Ti0.8O3∕SrRuO3∕SrTiO3 heterostructures. High-resolution transmission electron microscopy images revealed the interfaces to be sharp and fully coherent. Synchrotron x-ray studies show that a high tetragonality (c∕a∼1.058) is maintained down to 50Å thick films, suggesting indirectly that ferroelectricity is fully preserved at such small thicknesses. However, measurement of the switchable polarization (ΔP) using a pulsed probe setup and the out-of-plane piezoelectric response (d33) revealed a systematic drop from ∼140μC∕cm2 and 60pm∕V for a 150Å thick film to 11μC∕cm2 and 7pm∕V for a 50Å thick film. This apparent contradiction between the structural measurements and the measured switchable polarization is explained by an increasing presence of a strong depolarization field, which creates a pinned 180° polydomain state for the thinnest films. Existence of a polydomain state is demonstrated by piezoresponse force microscopy images of the ultrathin films. These results suggest that the limit for a ferroelectric memory device may be much larger than the fundamental limit for ferroelectricity.
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