Using a phenomenological approach, we demonstrate that a giant mechanically-mediated electrocaloric effect can be obtained in ultrathin ferroelectric SrRuO3/BaTiO3/SrRuO3 capacitors at room temperature. Our results show that the electrocaloric properties of such capacitors can be systematically tuned by applying an external stress. The depolarizing field, whose effect is usually ignored in the literature, is found to be detrimental to the electrocaloric response, especially for the thinner films. Moreover, a remarkable enhancement and broadening of the electrocaloric response can be achieved in relatively thick films under compressively loaded conditions compared with the unloaded case.

1.
L.
Mañosa
,
A.
Planesa
, and
M.
Acetb
,
J. Mater. Chem. A
1
,
4925
(
2013
).
2.
V. K.
Pecharsky
and
K. A.
Gschneidner
, Jr.
,
Phys. Rev. Lett.
78
,
4494
(
1997
).
3.
O.
Tegus
,
E.
Bruck
,
K. H. J.
Buschow
, and
F. R.
de Boer
,
Nature(London)
415
,
150
(
2002
).
4.
X.
Moya
,
L. E.
Hueso
,
F.
Maccherozzi
,
A. I.
Tovstolytkin
,
D. I.
Podyalovskii
,
C.
Ducati
,
L. C.
Phillips
,
M.
Ghidini
,
O.
Hovorka
,
A.
Berger
,
M. E.
Vickers
,
E.
Defay
,
S. S.
Dhesi
, and
N. D.
Mathur
,
Nature Mater.
12
,
52
(
2013
).
5.
A. S.
Mischenko
,
Q.
Zhang
,
J. F.
Scott
,
R. W.
Whatmore
, and
N. D.
Mathur
,
Science
311
,
1270
(
2006
).
6.
B.
Neese
,
B.
Chu
,
S. G.
Lu
,
Y.
Wang
,
E.
Furman
, and
Q. M.
Zhang
,
Science
321
,
821
(
2008
).
7.
P. F.
Liu
,
J. L.
Wang
,
X. J.
Meng
,
J.
Yang
,
B.
Dkhil
, and
J. H.
Chu
,
New J. Phys.
12
,
023035
(
2010
).
8.
L.
Mañosa
,
D.
Gonzalez-Alonso
,
A.
Planes
,
E.
Bonnot
,
M.
Barrio
,
J.-L.
Tamarit
,
S.
Aksoy
, and
M.
Acet
,
Nature Mater.
9
,
478
(
2010
).
9.
L.
Mañosa
,
D.
Gonzalez-Alonso
,
A.
Planes
,
M.
Barrio
,
J.-L.
Tamarit
,
I. S.
Titov
,
M.
Acet
,
A.
Bhattacharyya
, and
S.
Majumdar
,
Nat. Commun.
2
,
595
(
2011
).
10.
E.
Bonnot
,
R.
Romero
,
L.
Mañosa
,
E.
Vives
, and
A.
Planes
,
Phys. Rev. Lett.
100
,
125901
(
2008
).
11.
S.-G.
Lu
and
Q.
Zhang
,
Adv. Mater.
21
,
1983
(
2009
).
12.
J. F.
Scott
,
Annu. Rev. Mater. Res.
41
,
229
(
2011
).
13.
14.
S.
Lisenkov
and
I.
Ponomareva
,
Phys. Rev. B
86
,
104103
(
2012
).
15.
Y.
Liu
,
X.-P.
Peng
,
X. J.
Lou
, and
H.
Zhou
,
Appl. Phys. Lett.
100
,
192902
(
2012
).
16.
A.
Yu. Emelyanov
,
N. A.
Pertsev
, and
A. L.
Kholkin
,
Phys. Rev. B
66
,
214108
(
2002
).
17.
S.
Lisenkov
,
B. K.
Mani
,
C.-M.
Chang
,
J.
Almand
, and
I.
Ponomareva
,
Phys. Rev. B
87
,
224101
(
2013
).
18.
G.
Gerra
,
A. K.
Tagantsev
, and
N.
Setter
,
Phys. Rev. Lett.
98
,
207601
(
2007
).
19.
A. K.
Tagantsev
,
G.
Gerra
, and
N.
Setter
,
Phys. Rev. B
77
,
174111
(
2008
).
20.
H.
Lu
,
C.-W.
Bark
,
D.
Esque de los Ojos
,
J.
Alcala
,
C. B.
Eom
,
G.
Catalan
, and
A.
Gruverman
,
Science
336
,
59
(
2012
).
21.
G.
Akcay
,
S. P.
Alpay
,
J. V.
Mantese
, and
G. A.
Rossetti
,Jr.
,
Appl. Phys. Lett.
90
,
252909
(
2007
);
G.
Akcay
,
S. P.
Alpay
,
G. A.
Rossetti
, Jr.
, and
J. F.
Scott
,
J. Appl. Phys.
103
,
024104
(
2008
).
22.
Y.
Liu
,
X. J.
Lou
,
M.
Bibes
, and
B.
Dkhil
,
Phys. Rev. B
88
,
024106
(
2013
).
23.
S. G.
Lu
,
B.
Rožič
,
Q. M.
Zhang
,
Z.
Kutnjak
,
R.
Pirc
,
M. R.
Lin
,
X. Y.
Li
, and
L.
Gorny
,
Appl. Phys. Lett.
97
,
202901
(
2010
).
24.
X.-S.
Qian
,
H.-J.
Ye
,
Y.-T.
Zhang
,
H.
Gu
,
X.
Li
,
C. A.
Randall
, and
Q. M.
Zhang
,
Adv. Funct. Mater.
(
2013
).
25.
I.
Ponomareva
and
S.
Lisenkov
,
Phys. Rev. Lett.
108
,
167604
(
2012
).
26.
M. C.
Rose
and
R. E.
Cohen
,
Phys. Rev. Lett.
109
,
187604
(
2012
).
27.
We used the following set of parameters (in SI units): α1=8.248(T388.15)×105,α11=8.388×108,α111=7.764×109,α1111=3.0904×1011,u0=0.02458,Q12=0.045,Q11=0.11,ε0=8.85×1012,εb50ε0,S11=8.3×1012,S12=2.7×1012,s11=3.52×1012,s12=8.50×1012,η=0.113,λ=1.2×1011,CE=2.53×106. All the parameters we used in this work can be partially found in Ref. 15. The elastic compliances of STO substrate are taken from
G.
Sheng
,
Y. L.
Li
,
J. X.
Zhang
,
S.
Choudhury
,
Q. X.
Jia
,
V.
Gopalan
,
D. G.
Schlom
,
Z. K.
Liu
, and
L. Q.
Chen
,
Appl. Phys. Lett.
96
,
232902
(
2010
);
The electrostrictive coefficient Q11 = 0.11 is taken from
N. A.
Pertsev
,
A. G.
Zembilgotov
, and
A. K.
Tagantsev
,
Phys. Rev. Lett.
80
,
1988
(
1998
).
28.
Y.
Gaillard
,
A. H.
Macías
,
J.
Muñoz-Saldaña
,
M.
Anglada
, and
G.
Trápaga
,
J. Phys. D: Appl. Phys.
42
,
085502
(
2009
).
29.
D. D.
Fong
,
A. M.
Kolpak
,
J. A.
Eastman
,
S. K.
Streiffer
,
P. H.
Fuoss
,
G. B.
Stephenson
,
C.
Thompson
,
D. M.
Kim
,
K. J.
Choi
,
C. B.
Eom
,
I.
Grinberg
, and
A. M.
Rappe
,
Phys. Rev. Lett.
96
,
127601
(
2006
).
30.
K. J.
Choi
,
M.
Biegalski
,
Y. L.
Li
,
A.
Sharan
,
J.
Schubert
,
R.
Uecker
,
P.
Reiche
,
Y. B.
Chen
,
X. Q.
Pan
,
V.
Gopalan
,
L.-Q.
Chen
,
D. G.
Schlom
, and
C. B.
Eom
,
Science
306
,
1005
(
2004
).
31.
H. N.
Lee
,
S. M.
Nakhmanson
,
M. F.
Chisholm
,
H. M.
Christen
,
K. M.
Rabe
, and
D.
Vanderbilt
,
Phys. Rev. Lett.
98
,
217602
(
2007
).
32.
S.
Prosandeev
,
I.
Ponomareva
, and
L.
Bellaiche
,
Phys. Rev. B
78
,
052103
(
2008
).
33.
S.
Lisenkov
and
I.
Ponomareva
,
Phys. Rev. B
80
,
140102
(
2009
).
34.
X.
Moya
,
E.
Stern-Taulats
,
S.
Crossley
,
D.
González-Alonso
,
S.
Kar-Narayan
,
A.
Planes
,
L.
Mañosa
, and
N. D.
Mathur
,
Adv. Mater.
25
,
1360
(
2013
).
35.
S.
Kar-Narayana
and
N. D.
Mathur
,
J. Phys. D: Appl. Phys.
43
,
032002
(
2010
).
36.
S.
Kar-Narayan
,
S.
Crossley
,
X.
Moya
,
V.
Kovacova
,
J.
Abergel
,
A.
Bontempi
,
N.
Baier
,
E.
Defay
, and
N. D.
Mathur
,
Appl. Phys. Lett.
102
,
032903
(
2013
).
37.
Y.
Bai
,
G. P.
Zheng
, and
S. Q.
Shi
,
Appl. Phys. Lett.
96
,
192902
(
2010
).
38.
Y.
Bai
,
G.-P.
Zheng
,
K.
Ding
,
L. J.
Qiao
,
S.-Q.
Shi
, and
D.
Guo
,
J. Appl. Phys.
110
,
094103
(
2011
).
39.
A.
Chanthbouala
,
A.
Crassous
,
V.
Garcia
,
K.
Bouzehouane
,
S.
Fusil
,
X.
Moya
,
J.
Allibe
,
B.
Dlubak
,
J.
Grollier
,
S.
Xavier
,
C.
Deranlot
,
A.
Moshar
,
R.
Proksch
,
N. D.
Mathur
,
M.
Bibes
, and
A.
Barthélémy
,
Nat. Nanotechnol.
7
,
101
(
2011
);
[PubMed]
Z.
Wen
,
C.
Li
,
D.
Wu
,
A.
Li
, and
N.
Ming
,
Nature Mater.
12
,
617
(
2013
).
You do not currently have access to this content.