We demonstrate a fairly high sheet conductance (∼1 μS) from 300 K to 10 K on the surface of ferroelectric PbTiO3 thin films in an electric double layer transistor configuration. Applying a positive gate voltage, n-type operation takes place with a high on-off ratio exceeding 105 and a high sheet electron density of 4 × 1013 cm−2. Temperature dependence of the sheet resistance changes from thermal activation-type at low gate voltage (∼3 V) to disordered two-dimensional conduction with a weak temperature dependence at high gate voltage (∼5 V). This behavior is quite different from those in BaTiO3 cases, where strong localization takes place below 100 K in electrostatically or chemically doped BaTiO3 thin films. The absence of instability to a lower symmetry crystal structure may play a role in the case of tetragonal PbTiO3.

1.
C. H.
Ahn
,
J.-M.
Triscone
, and
J.
Mannhart
,
Nature
424
,
1015
(
2003
).
2.
K.
Ueno
,
S.
Nakamura
,
H.
Shimotani
,
A.
Ohtomo
,
N.
Kimura
,
T.
Nojima
,
H.
Aoki
,
Y.
Iwasa
, and
M.
Kawasaki
,
Nat. Mater.
7
,
855
(
2008
).
3.
K.
Ueno
,
S.
Nakamura
,
H.
Shimotani
,
H. T.
Yuan
,
N.
Kimura
,
T.
Nojima
,
H.
Aoki
,
Y.
Iwasa
, and
M.
Kawasaki
,
Nat. Nanotechnol.
6
,
408
(
2011
).
4.
A. T.
Bollinger
,
G.
Dubuis
,
J.
Yoon
,
D.
Pavuna
,
J.
Misewich
, and
I.
Božović
,
Nature
472
,
458
(
2011
).
5.
J. T.
Ye
,
Y. J.
Zhang
,
R.
Akashi
,
M. S.
Bahramy
,
R.
Arita
, and
Y.
Iwasa
,
Science
338
,
1193
(
2012
).
6.
J. T.
Ye
,
S.
Inoue
,
K.
Kobayashi
,
Y.
Kasahara
,
H. T.
Yuan
,
H.
Shimotani
, and
Y.
Iwasa
,
Nat. Mater.
9
,
125
(
2010
).
7.
J. M.
Edge
,
Y.
Kedem
,
U.
Aschauer
,
N. A.
Spaldin
, and
A. V.
Balatsky
,
Phys. Rev. Lett.
115
,
247002
(
2015
).
8.
A.
Stucky
,
G. W.
Scheerer
,
Z.
Ren
,
D.
Jaccard
,
J.-M.
Poumirol
,
C.
Barreteau
,
E.
Giannini
, and
D.
van der Marel
,
Sci. Rep.
6
,
37582
(
2016
).
9.
C. W.
Rischau
,
X.
Lin
,
C. P.
Grams
,
D.
Finck
,
S.
Harms
,
J.
Engelmayer
,
T.
Lorenz
,
Y.
Gallais
,
B.
Fauqué
,
J.
Hemberger
, and
K.
Behnia
,
Nat. Phys.
13
,
643
(
2017
).
10.
E.
Sawaguchi
,
A.
Kikuchi
, and
Y.
Kodera
,
J. Phys. Soc. Jpn.
17
,
1666
(
1962
).
11.
M. A.
Saifi
and
L. E.
Cross
,
Phys. Rev. B
2
,
677
(
1970
).
12.
K. S.
Takahashi
,
Y.
Matsubara
,
M. S.
Bahramy
,
N.
Ogawa
,
D.
Hashizume
,
Y.
Tokura
, and
M.
Kawasaki
,
Sci. Rep.
7
,
4631
(
2017
).
13.
M.
Ito
,
Y.
Matsubara
,
Y.
Kozuka
,
K. S.
Takahashi
,
F.
Kagawa
,
J. T.
Ye
,
Y.
Iwasa
,
K.
Ueno
,
Y.
Tokura
, and
M.
Kawasaki
,
Appl. Phys. Lett.
104
,
222101
(
2014
).
14.
15.
S. A.
Mabud
and
A. M.
Glazer
,
J. Appl. Crystallogr.
12
,
49
(
1979
).
16.
Ç.
Kılıç
and
A.
Zunger
,
Appl. Phys. Lett.
81
,
73
(
2002
).
17.
T.-Y.
Kim
,
H. M.
Jang
, and
S. M.
Cho
,
J. Appl. Phys.
91
,
336
(
2002
).
18.
H.
Yuan
,
H.
Shimotani
,
A.
Tsukazaki
,
A.
Ohtomo
,
M.
Kawasaki
, and
Y.
Iwasa
,
Adv. Funct. Mater.
19
,
1046
(
2009
).
19.
D.
Mateika
,
H.
Kohler
,
H.
Laudan
, and
E.
Völkel
,
J. Cryst. Growth
109
,
441
(
1991
).
20.
Ø.
Dahl
,
J. K.
Grepstad
, and
T.
Tybell
,
J. Appl. Phys.
103
,
114112
(
2008
).
21.
Ø.
Dahl
,
J. K.
Grepstad
, and
T.
Tybell
,
J. Appl. Phys.
106
,
084104
(
2009
).
22.
H.
Tabata
,
O.
Murata
,
T.
Kawai
,
S.
Kawai
, and
M.
Okuyama
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
32
,
5611
(
1993
).
23.
C.
Lichtensteiger
,
M.
Dawber
,
N.
Stucki
,
J.-M.
Triscone
,
J.
Hoffman
,
J.-B.
Yau
,
C. H.
Ahn
,
L.
Despont
, and
P.
Aebi
,
Appl. Phys. Lett.
90
,
052907
(
2007
).
24.
C.
Lichtensteiger
,
S.
Fernandez-Pena
,
C.
Weymann
,
P.
Zubko
, and
J.-M.
Triscone
,
Nano Lett.
14
,
4205
(
2014
).
25.
C.
Lichtensteiger
,
J. M.
Triscone
,
J.
Junquera
, and
P.
Ghosez
,
Phys. Rev. Lett.
94
,
047603
(
2005
).
26.
P.-H.
Xiang
,
S.
Asanuma
,
H.
Yamada
,
H.
Sato
,
I. H.
Inoue
,
H.
Akoh
,
A.
Sawa
,
M.
Kawasaki
, and
Y.
Iwasa
,
Adv. Mater.
25
,
2158
(
2013
).
27.
Y.
Kuroiwa
,
S.
Aoyagi
,
A.
Sawada
,
J.
Harada
,
E.
Nishibori
,
M.
Takata
, and
M.
Sakata
,
Phys. Rev. Lett.
87
,
217601
(
2001
).
28.
H.
Hiramatsu
,
H.
Yanagi
,
T.
Kamiya
,
K.
Ueda
,
M.
Hirano
, and
H.
Hosono
,
Chem. Mater.
20
,
326
(
2008
).
29.
M.
Liao
,
S.
Takemoto
,
Z.
Xiao
,
Y.
Toda
,
T.
Tada
,
S.
Ueda
,
T.
Kamiya
, and
H.
Hosono
,
J. Appl. Phys.
119
,
165701
(
2016
).
30.
O.
Gourdon
,
M.
Evain
,
S.
Jobic
,
R.
Brec
,
H.-J.
Koo
,
M.-H.
Whangbo
,
B.
Corraze
, and
O.
Chauvet
,
Inorg. Chem.
40
,
2898
(
2001
).
31.
N. S.
Kini
,
A. M.
Strydom
,
H. S.
Jeevan
,
C.
Geibel
, and
S.
Ramakrishnan
,
J. Phys.: Condens. Matter
18
,
8205
(
2006
).
32.
D. A.
Tenne
,
X. X.
Xi
,
Y. L.
Li
,
L. Q.
Chen
,
A.
Soukiassian
,
M. H.
Zhu
,
A. R.
James
,
J.
Lettieri
,
D. G.
Schlom
,
W.
Tian
, and
X. Q.
Pan
,
Phys. Rev. B
69
,
174101
(
2004
).
33.
M.
Sumiya
,
S.
Fuke
,
A.
Tsukazaki
,
K.
Tamura
,
A.
Ohtomo
,
M.
Kawasaki
, and
H.
Koinuma
,
J. Appl. Phys.
93
,
2562
(
2003
).
34.
T.
Shimada
,
S.
Tomoda
, and
T.
Kitamura
,
J. Phys.: Condens. Matter
22
,
355901
(
2010
).
You do not currently have access to this content.