We demonstrate the ability to tune the thermal conductivity of homoepitaxial SrTiO3 films deposited by reactive molecular-beam epitaxy by varying growth temperature, oxidation environment, and cation stoichiometry. Both point defects and planar defects decrease the longitudinal thermal conductivity (k33), with the greatest decrease in films of the same composition observed for films containing planar defects oriented perpendicular to the direction of heat flow. The longitudinal thermal conductivity can be modified by as much as 80%—from 11.5 W m−1K−1 for stoichiometric homoepitaxial SrTiO3 to 2 W m−1K−1 for strontium-rich homoepitaxial Sr1+δTiOx films—by incorporating (SrO)2 Ruddlesden-Popper planar defects.
References
1.
R.
Vassen
, X.-Q.
Cao
, F.
Tietz
, D.
Basu
, and D.
Stöver
, J. Am. Ceram. Soc.
83
, 2023
–2028
(2000
).2.
J. W.
Fergus
, J. Eur. Ceram. Soc.
32
, 525
–540
(2012
).3.
A.
Weidenkaff
, R.
Robert
, M.
Aguirre
, L.
Bocher
, T.
Lippert
, and S.
Canulescu
, Renewable Energy
33
, 342
–347
(2008
).4.
T.
Tanaka
, K.
Matsunaga
, Y.
Ikuhara
, and T.
Yamamoto
, Phys. Rev. B
68
, 205213
(2003
).5.
D.
Freedman
, D.
Roundy
, and T.
Arias
, Phys. Rev. B
80
, 064108
(2009
).6.
7.
S. N.
Ruddlesden
and P.
Popper
, Acta Cryst.
10
, 538
–539
(1957
).8.
S. N.
Ruddlesden
and P.
Popper
, Acta Cryst.
11
, 54
–55
(1958
).9.
R. J. D.
Tilley
, J. Solid State Chem.
21
, 293
–301
(1977
).10.
R. J. D.
Tilley
, Nature
269
, 229
–231
(1977
).11.
A.
Chernatynskiy
, R. W.
Grimes
, M. A.
Zurbuchen
, D. R.
Clarke
, and S. R.
Phillpot
, Appl. Phys. Lett.
95
, 161906
(2009
).12.
S.
Ohta
, T.
Nomura
, H.
Ohta
, and K.
Koumoto
, J. Appl. Phys.
97
, 034106
(2005
).13.
J.
Ravichandran
, W.
Siemons
, D.-W.
Oh
, J. T.
Kardel
, A.
Chari
, H.
Heijmerikx
, M. L.
Scullin
, A.
Majumdar
, R.
Ramesh
, and D. G.
Cahill
, Phys. Rev. B
82
, 165126
(2010
).14.
C.
Yu
, M. L.
Scullin
, M.
Huijben
, R.
Ramesh
, and A.
Majumdar
, Appl. Phys. Lett.
92
, 191911
(2008
).15.
K. H.
Lee
, S. W.
Kim
, H.
Ohta
, and K.
Koumoto
, J. Appl. Phys.
100
, 063717
(2006
).16.
Y.
Wang
, K. H.
Lee
, H.
Ohta
, and K.
Koumoto
, J. Appl. Phys.
105
, 103701
(2009
).17.
D.-W.
Oh
, J.
Ravichandran
, C.-W.
Liang
, W.
Siemons
, B.
Jalan
, C. M.
Brooks
, M.
Huijben
, D. G.
Schlom
, S.
Stemmer
, L. W.
Martin
, A.
Majumdar
, R.
Ramesh
, and D. G.
Cahill
, Appl. Phys. Lett.
98
, 221904
(2011
).18.
E.
Breckenfeld
, R.
Wilson
, J.
Karthik
, A. R.
Damodaran
, D. G.
Cahill
, and L. W.
Martin
, Chem. Mater.
24
, 331
–337
(2012
).19.
See supplementary material at http://dx.doi.org/10.1063/1.4927200 for growth and measurement details.
20.
G. E.
Stillman
and C. M.
Wolfe
, Thin Solid Films
31
, 69
–88
(1976
).21.
T. L.
Peterson
, F.
Szmulowicz
, and P. M.
Memenger
, J. Cryst. Growth
106
, 16
–33
(1990
).22.
D. G.
Schlom
and L. N.
Pfeiffer
, Nat. Mater.
9
, 881
–883
(2010
).23.
Note that the specific coefficient of the thermal conductivity tensor being measured is k33, corresponding to the coefficient describing the heat flow parallel to the direction of the applied temperature gradient (both are along the direction perpendicular to the substrate surface). This nomenclature is analogous to the definition of “longitudinal stress,” “longitudinal strain,” “longitudinal piezoelectric effect,” and analogous tensor quantities. See, for example,
J. F.
Nye
, Physical Properties of Crystals: Their Representation by Tensors and Matrices
(Oxford University Press
, 1957, 1985
), pp. 127
, 144
.24.
J. H.
Haeni
, C. D.
Theis
, D. G.
Schlom
, W.
Tian
, X. Q.
Pan
, H.
Chang
, I.
Takeuchi
, and X.-D.
Xiang
, Appl. Phys. Lett.
78
, 3292
–3294
(2001
).25.
K.
Kuroda
, K.
Kojima
, M.
Tanioku
, K.
Yokoyama
, and K.
Hamanaka
, Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
28
, 1586
–1592
(1989
).26.
J.
Fujita
, T.
Tatsumi
, T.
Yoshitake
, and H.
Igarashi
, Appl. Phys. Lett.
54
, 2364
–2366
(1989
).27.
H.-U.
Krebs
and M.
Kehlenbeck
, Physica C
162–164
, 119
–120
(1989
).28.
K.
Kojima
, D. G.
Schlom
, K.
Kuroda
, M.
Tanioku
, K.
Hamanaka
, J. N.
Eckstein
, and J. S.
Harris
, Jr., Jpn. J. Appl. Phys., Part 2
29
, L1638
–L1641
(1990
).29.
D. G.
Schlom
, A. F.
Marshall
, J. T.
Sizemore
, Z. J.
Chen
, J. N.
Eckstein
, I.
Bozovic
, K. E.
von Dessonneck
, J. S.
Harris
, Jr., and J. C.
Bravman
, J. Cryst. Growth
102
, 361
–375
(1990
).30.
H.-U.
Krebs
, M.
Kehlenbeck
, M.
Steins
, and V.
Kupcik
, J. Appl. Phys.
69
, 2405
–2409
(1991
).31.
S.
Hendricks
and E.
Teller
, J. Chem. Phys.
10
, 147
–167
(1942
).32.
G.
Grzinic
, Philos. Mag. A
52
, 161
–187
(1985
).33.
R.
Seshadri
, M.
Hervieu
, C.
Martin
, A.
Maignan
, B.
Domenges
, B.
Raveau
, and A. N.
Fitch
, Chem. Mater.
9
, 1778
–1787
(1997
).34.
C. M.
Brooks
, L.
Fitting Kourkoutis
, T.
Heeg
, J.
Schubert
, D. A.
Muller
, and D. G.
Schlom
, Appl. Phys. Lett.
94
, 162905
(2009
).35.
B.
Jalan
, R.
Engel–Herbert
, N. J.
Wright
, and S.
Stemmer
, J. Vac. Sci. Technol., A
27
, 461
–464
(2009
).36.
T.
Ohnishi
, K.
Shibuya
, T.
Yamamoto
, and M.
Lippmaa
, J. Appl. Phys.
103
, 103703
(2008
).37.
K.
Shibuya
, S.
Mi
, C.
Jia
, P.
Meuffels
, and R.
Dittmann
, Appl. Phys. Lett.
92
, 241918
(2008
).38.
S.
Madhavan
, D. G.
Schlom
, A.
Dabkowski
, H. A.
Dabkowska
, and Y.
Liu
, Appl. Phys. Lett.
68
, 559
–561
(1996
).39.
D. G.
Schlom
, S. B.
Knapp
, S.
Wozniak
, L-N.
Zou
, J.
Park
, Y.
Liu
, M. E.
Hawley
, G. W.
Brown
, A.
Dabkowski
, H. A.
Dabkowska
, R.
Uecker
, and P.
Reiche
, Supercond. Sci. Technol.
10
, 891
–895
(1997
).40.
Y.
Jia
, M. A.
Zurbuchen
, S.
Wozniak
, A. H.
Carim
, D. G.
Schlom
, L-N.
Zou
, S.
Briczinski
, and Y.
Liu
, Appl. Phys. Lett.
74
, 3830
–3832
(1999
).41.
R.
Takahashi
, K.
Valset
, E.
Folven
, E.
Eberg
, J. K.
Grepstad
, and T.
Tybell
, Appl. Phys. Lett.
97
, 081906
(2010
).42.
T.
Ohnishi
and K.
Takada
, Appl. Phys. Express
4
, 025501
(2011
).43.
M.
Uchida
, Y. F.
Nie
, P. D. C.
King
, C. H.
Kim
, C. J.
Fennie
, D. G.
Schlom
, and K. M.
Shen
, Phys. Rev. B
90
, 075142
(2014
).44.
C. H.
Lee
, N. D.
Orloff
, T.
Birol
, Y.
Zhu
, V.
Goian
, E.
Rocas
, R.
Haislmaier
, E.
Vlahos
, J. A.
Mundy
, L. F.
Kourkoutis
, Y.
Nie
, M. D.
Biegalski
, J.
Zhang
, M.
Bernhagen
, N. A.
Benedek
, Y.
Kim
, J. D.
Brock
, R.
Uecker
, X. X.
Xi
, V.
Gopalan
, D.
Nuzhnyy
, S.
Kamba
, D. A.
Muller
, I.
Takeuchi
, J. C.
Booth
, C. J.
Fennie
, and D. G.
Schlom
, Nature
502
, 532
–536
(2013
).45.
C. H.
Lee
, N. J.
Podraza
, Y.
Zhu
, R. F.
Berger
, S.
Shen
, M.
Sestak
, R. W.
Collins
, L. F.
Kourkoutis
, J. A.
Mundy
, H. Q.
Wang
, Q.
Mao
, X. X.
Xi
, L. J.
Brillson
, J. B.
Neaton
, D. A.
Muller
, and D. G.
Schlom
, Appl. Phys. Lett.
102
, 122901
(2013
).46.
Y.
Tokuda
, S.
Kobayashi
, T.
Ohnishi
, T.
Mizoguchi
, N.
Shibata
, Y.
Ikuhara
, and T.
Yamaoto
, Appl. Phys. Lett.
99
, 173109
(2011
).47.
T.
Suzuki
, Y.
Nishi
, and M.
Fujimoto
, Philos. Mag. A
80
, 621
–637
(2000
).48.
S.
Wiedigen
, T.
Kramer
, M.
Feuchter
, I.
Knorr
, N.
Nee
, J.
Hoffmann
, M.
Kamlah
, C. A.
Volkert
, and C.
Jooss
, Appl. Phys. Lett.
100
, 061904
(2012
).49.
R. A.
De Souza
, J.
Fleig
, R.
Merkle
, and J.
Maier
, Z. Metallkd.
94
, 218
–225
(2003
).50.
H.
Muta
, K.
Kurosaki
, and S.
Yamanaka
, J. Alloys Compd.
392
, 306
–309
(2005
).51.
T.
Ohnishi
, M.
Lippmaa
, and T.
Yamamoto
, Appl. Phys. Lett.
87
, 241919
(2005
).52.
C.-H.
Lee
, Y.
Zhu
, Q.-Y.
Mao
, J. A.
Mundy
, D. A.
Muller
, X. X.
Xi
, D. G.
Cahill
, D. G.
Schlom
, and M. A.
Zurbuchen
(unpublished).53.
R. M.
Costescu
, D. G.
Cahill
, F. H.
Fabreguette
, Z. A.
Sechrist
, and S. M.
George
, Science
303
, 989
–990
(2004
).54.
J.
Ravichandran
, A. K.
Yadav
, R.
Cheaito
, P. B.
Rossen
, A.
Soukiassian
, S. J.
Suresha
, J. C.
Duda
, B. M.
Foley
, C. H.
Lee
, Y.
Zhu
, A. W.
Lichtenberger
, J. E.
Moore
, D. A.
Muller
, D. G.
Schlom
, P. E.
Hopkins
, A.
Majumdar
, R.
Ramesh
, and M. A.
Zurbuchen
, Nat. Mater.
13
, 168
–172
(2014
).55.
K. H.
Lee
, Y. F.
Wang
, S. W.
Kim
, H.
Ohta
, and K.
Koumoto
, Int. J. Appl. Ceram. Technol.
4
, 326
–331
(2007
).56.
W.
Sugimoto
, M.
Shirata
, M.
Takemoto
, S.
Hayami
, Y.
Sugahara
, and K.
Kuroda
, Solid State Ionics
108
, 315
–318
(1998
).57.
D. G.
Schlom
, Y.
Jia
, L.-N.
Zou
, J. H.
Haeni
, S.
Briczinski
, M. A.
Zurbuchen
, C. W.
Leitz
, S.
Madhavan
, S.
Wozniak
, Y.
Liu
, M. E.
Hawley
, G. W.
Brown
, A.
Dabkowski
, H. A.
Dabkowska
, R.
Uecker
, and P.
Reiche
, Proc. SPIE
3481
, 226
–240
(1998
).58.
Z.
Wang
, M.
Okude
, M.
Saito
, S.
Tsukimoto
, A.
Ohtomo
, M.
Tsukada
, M.
Kawasaki
, and Y.
Ikuhara
, Nat. Commun.
1
, 106
(2010
).© 2015 AIP Publishing LLC.
2015
AIP Publishing LLC
You do not currently have access to this content.
