We investigate ferroelectric BaTiO3 capacitors with SrRuO3-based electrodes employing a (BaxSr1−x)TiO3 (BST) buffer layer on (100) SrTiO3 substrates prepared by pulsed laser deposition. Structural analysis by high-resolution X-ray diffraction reciprocal space mapping shows that the BST (x = 0.5 and 0.7) layers are relaxed and have their bulk in-plane lattices in the upper part owing to strain relief. The bottom electrodes on the buffer layers grow heteroepitaxially but cannot withstand a tensile stress and then show a diminution of the in-plane lattice. On the BST (x = 0.7) layer, compared with the capacitor with an SrRuO3 electrode, that with a Ba0.1Sr0.9RuO3 one has a reduced in-plane lattice relaxation of the BaTiO3 film and then exhibits a larger remanent polarization (Pr) of 34 μC/cm2 associated with a smaller shift of the hysteresis loop. The polarization hysteresis shift is attributed to a flexoelectric effect stemming from the coupling between out-of-plane polarization and a strain gradient in the BaTiO3 film. We conclude that a reduced misfit strain relaxation in the ferroelectric film achieved with the Ba0.1Sr0.9RuO3 electrode on the thicker BST (x = 0.7) buffer layer is the origin of an enhanced Pr with a smaller hysteresis shift.

1.
J. F.
Scott
and
C. A.
Paz de Araujo
,
Science
246
,
1400
(
1989
).
2.
T.
Nakamura
,
Y.
Nakao
,
A.
Kamisawa
, and
H.
Takasu
,
Appl. Phys. Lett.
65
,
1522
(
1994
).
3.
C. A.-P.
de Araujo
,
J. D.
Cuchiaro
,
L. D.
McMillan
,
M. C.
Scott
, and
J. F.
Scott
,
Nature
374
,
627
(
1995
).
4.
B. H.
Park
,
B. S.
Kang
,
S. D.
Bu
,
T. W.
Noh
,
J.
Lee
, and
W.
Jo
,
Nature
401
,
682
(
1999
).
5.
F.
Pan
,
S.
Gao
,
C.
Chen
,
C.
Song
, and
F.
Zeng
,
Mater. Sci. Eng. R Rep.
83
,
1
(
2014
).
6.
D. S.
Jeong
,
R.
Thomas
,
R. S.
Katiyar
,
J. F.
Scott
,
H.
Kohlstedt
,
A.
Petraru
, and
C. S.
Hwang
,
Rep. Prog. Phys.
75
,
76502
(
2012
).
7.
P.
Maksymovych
,
S.
Jesse
,
P.
Yu
,
R.
Ramesh
,
A. P.
Baddorf
, and
S. V.
Kalinin
,
Science
324
,
1421
(
2009
).
8.
V.
Garcia
,
S.
Fusil
,
K.
Bouzehouane
,
S.
Enouz-Vedrenne
,
N. D.
Mathur
,
A.
Barthélémy
, and
M.
Bibes
,
Nature
460
,
81
(
2009
).
9.
A.
Tsurumaki
,
H.
Yamada
, and
A.
Sawa
,
Adv. Funct. Mater.
22
,
1040
(
2012
).
10.
D.
Lee
,
S. H.
Baek
,
T. H.
Kim
,
J.-G.
Yoon
,
C. M.
Folkman
,
C. B.
Eom
, and
T. W.
Noh
,
Phys. Rev. B
84
,
125305
(
2011
).
11.
T.
Choi
,
S.
Lee
,
Y. J.
Choi
,
V.
Kiryukhin
, and
S.-W.
Cheong
,
Science
324
,
63
(
2009
).
12.
S. Y.
Yang
,
L. W.
Martin
,
S. J.
Byrnes
,
T. E.
Conry
,
S. R.
Basu
,
D.
Paran
,
L.
Reichertz
,
J.
Ihlefeld
,
C.
Adamo
,
A.
Melville
,
Y. H.
Chu
,
C. H.
Yang
,
J. L.
Musfeldt
,
D. G.
Schlom
,
J. W.
Ager
, and
R.
Ramesh
,
Appl. Phys. Lett.
95
,
62909
(
2009
).
13.
S. D.
Ha
and
S.
Ramanathan
,
J. Appl. Phys.
110
,
71101
(
2011
).
14.
M.
Bibes
,
J. E.
Villegas
, and
A.
Barthélémy
,
Adv. Phys.
60
,
5
(
2011
).
15.
P.
Zubko
,
S.
Gariglio
,
M.
Gabay
,
P.
Ghosez
, and
J.-M.
Triscone
,
Annu. Rev. Condens. Matter Phys.
2
,
141
(
2011
).
16.
H. Y.
Hwang
,
Y.
Iwasa
,
M.
Kawasaki
,
B.
Keimer
,
N.
Nagaosa
, and
Y.
Tokura
,
Nat. Mater.
11
,
103
(
2012
).
17.
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
(
2013
).
18.
A. T.
Mulder
,
N. A.
Benedek
,
J. M.
Rondinelli
, and
C. J.
Fennie
,
Adv. Funct. Mater.
23
,
4810
(
2013
).
19.
P. V.
Yudin
and
A. K.
Tagantsev
,
Nanotechnology
24
,
432001
(
2013
).
20.
U.
Treske
,
N.
Heming
,
M.
Knupfer
,
B.
Büchner
,
E.
Di Gennaro
,
A.
Khare
,
U. S.
Di Uccio
,
F. M.
Granozio
,
S.
Krause
, and
A.
Koitzsch
,
Sci. Rep.
5
,
14506
(
2015
).
21.
P.
Zubko
,
J. C.
Wojdeł
,
M.
Hadjimichael
,
S.
Fernandez-Pena
,
A.
Sené
,
I.
Luk'yanchuk
,
J.-M.
Triscone
, and
J.
Íñiguez
,
Nature
534
,
524
(
2016
).
22.
T. H.
Kim
,
D.
Puggioni
,
Y.
Yuan
,
L.
Xie
,
H.
Zhou
,
N.
Campbell
,
P. J.
Ryan
,
Y.
Choi
,
J.-W.
Kim
,
J. R.
Patzner
,
S.
Ryu
,
J. P.
Podkaminer
,
J.
Irwin
,
Y.
Ma
,
C. J.
Fennie
,
M. S.
Rzchowski
,
X. Q.
Pan
,
V.
Gopalan
,
J. M.
Rondinelli
, and
C. B.
Eom
,
Nature
533
,
68
(
2016
).
23.
H.
Takenaka
,
I.
Grinberg
,
S.
Liu
, and
A. M.
Rappe
,
Nature
546
,
391
(
2017
).
24.
M.
Scigaj
,
C. H.
Chao
,
J.
Gázquez
,
I.
Fina
,
R.
Moalla
,
G.
Saint-Girons
,
M. F.
Chisholm
,
G.
Herranz
,
J.
Fontcuberta
,
R.
Bachelet
, and
F.
Sánchez
,
Appl. Phys. Lett.
109
,
122903
(
2016
).
25.
H.
Yamada
,
Y.
Toyosaki
, and
A.
Sawa
,
Adv. Electron. Mater.
2
,
1500334
(
2016
).
26.
X.
Liu
,
Y.
Wang
,
P. V.
Lukashev
,
J. D.
Burton
, and
E. Y.
Tsymbal
,
Phys. Rev. B
85
,
125407
(
2012
).
27.
H.
Lu
,
X.
Liu
,
J. D.
Burton
,
C.-W.
Bark
,
Y.
Wang
,
Y.
Zhang
,
D. J.
Kim
,
A.
Stamm
,
P.
Lukashev
,
D. A.
Felker
,
C. M.
Folkman
,
P.
Gao
,
M. S.
Rzchowski
,
X. Q.
Pan
,
C.-B.
Eom
,
E. Y.
Tsymbal
, and
A.
Gruverman
,
Adv. Mater.
24
,
1209
(
2012
).
28.
A. P.
Chen
,
F.
Khatkhatay
,
W.
Zhang
,
C.
Jacob
,
L.
Jiao
, and
H.
Wang
,
J. Appl. Phys.
114
,
124101
(
2013
).
29.
H. B.
Zhang
,
R. J.
Qi
,
N. F.
Ding
,
R.
Huang
,
L.
Sun
,
C. G.
Duan
,
C. A. J.
Fisher
,
J. H.
Chu
, and
Y.
Ikuhara
,
AIP Adv.
6
,
15010
(
2016
).
30.
R.
Guo
,
L.
Shen
,
H.
Wang
,
Z.
Lim
,
W.
Lu
,
P.
Yang
,
Ariando
,
A.
Gruverman
,
T.
Venkatesan
,
Y. P.
Feng
, and
J.
Chen
,
Adv. Mater. Interfaces
3
,
1600737
(
2016
).
31.
H.
Fan
,
C.
Chen
,
Z.
Fan
,
L.
Zhang
,
Z.
Tan
,
P.
Li
,
Z.
Huang
,
J.
Yao
,
G.
Tian
,
Q.
Luo
,
Z.
Li
,
X.
Song
,
D.
Chen
,
M.
Zeng
,
J.
Gao
,
X.
Lu
,
Y.
Zhao
,
X.
Gao
, and
J.-M.
Liu
,
Appl. Phys. Lett.
111
,
252901
(
2017
).
32.
Y.
Qiu
,
H.
Wu
,
J.
Wang
,
J.
Lou
,
Z.
Zhang
,
A.
Liu
,
T.
Kitamura
, and
G.
Chai
,
J. Appl. Phys.
122
,
24103
(
2017
).
33.
W.
Zhang
,
F.
Hu
,
H.
Zhang
, and
J.
Ouyang
,
Mater. Res. Bull.
95
,
23
(
2017
).
34.
Y. J.
Shin
,
Y.
Kim
,
S.-J.
Kang
,
H.-H.
Nahm
,
P.
Murugavel
,
J. R.
Kim
,
M. R.
Cho
,
L.
Wang
,
S. M.
Yang
,
J.-G.
Yoon
,
J.-S.
Chung
,
M.
Kim
,
H.
Zhou
,
S. H.
Chang
, and
T. W.
Noh
,
Adv. Mater.
29
,
1602795
(
2017
).
35.
H.
Maki
,
Y.
Noguchi
,
K.
Kutsuna
,
H.
Matsuo
,
Y.
Kitanaka
, and
M.
Miyayama
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
55
,
10TA03
(
2016
).
36.
S.
Hong
,
S. M.
Nakhmanson
, and
D. D.
Fong
,
Rep. Prog. Phys.
79
,
76501
(
2016
).
37.
38.
S. H.
Wemple
,
M.
Didomenico
, and
I.
Camlibel
,
J. Phys. Chem. Solids
29
,
1797
(
1968
).
39.
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
).
40.
J.
Karthik
,
R. V. K.
Mangalam
,
J. C.
Agar
, and
L. W.
Martin
,
Phys. Rev. B
87
,
24111
(
2013
).
41.
H.
Ko
,
K.
Ryu
,
H.
Park
,
C.
Park
,
D.
Jeon
,
Y. K.
Kim
,
J.
Jung
,
D.-K.
Min
,
Y.
Kim
,
H. N.
Lee
,
Y.
Park
,
H.
Shin
, and
S.
Hong
,
Nano Lett.
11
,
1428
(
2011
).
42.
M.
Sindhu
,
N.
Ahlawat
,
S.
Sanghi
,
R.
Kumari
, and
A.
Agarwal
,
J. Alloys Compd.
575
,
109
(
2013
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.