For thin film devices based on coupling ferroelectric polarization to charge carriers in semiconductors, the role of the interface is critical. To elucidate this role, we use synchrotron x-ray diffraction to determine the interface structure of epitaxial SrTiO3 grown on the (001) surface of Si. The average displacement of the O octahedral sublattice relative to the Sr sublattice determines the film polarization and is measured to be about 0.05 nm toward the Si, with Ti off-center displacements 0.009 nm away from the substrate. Measurements of films with different boundary conditions on the top of the SrTiO3 show that the polarization at the SrTiO3/Si interface is dominated by oxide-Si chemical interactions.

1.
R. A.
McKee
,
F. J.
Walker
, and
M. F.
Chisholm
,
Phys. Rev. Lett.
81
,
3014
(
1998
).
2.
Z.
Yu
,
J.
Ramdani
,
J. A.
Curless
,
J. M.
Finder
,
C. D.
Overgaard
,
R.
Droopad
,
K. W.
Eisenbeiser
,
J. A.
Hallmark
,
W. J.
Ooms
,
J. R.
Conner
, and
V. S.
Kaushik
,
J. Vac. Sci. Technol. B
18
,
1653
(
2000
).
3.
F. J.
Walker
and
R. A.
McKee
,
High Dielectric Constant Materials—VLSI MOSFET Applications
,
Springer Series in Advanced Microelectronics
Vol.
16
(
Springer
,
Berlin
,
2005
), pp.
607
636
.
4.
A. B.
Posadas
,
M.
Lippmaa
,
F. J.
Walker
,
M.
Dawber
,
C. H.
Ahn
, and
J.
Triscone
,
Top. Appl. Phys.
105
,
219
(
2007
).
5.
S.
Mi
,
C.
Jia
,
V.
Vaithyanathan
,
L.
Houben
,
J.
Schubert
,
D. G.
Schlom
, and
K.
Urban
,
Appl. Phys. Lett.
93
,
101913
(
2008
).
6.
J. W.
Reiner
,
A.
Posadas
,
M.
Wang
,
M.
Sidorov
,
Z.
Krivokapic
,
F. J.
Walker
,
T. P.
Ma
, and
C. H.
Ahn
,
J. Appl. Phys.
105
,
124501
(
2009
).
7.
A.
Antons
,
J. B.
Neaton
,
K. M.
Rabe
, and
D.
Vanderbilt
,
Phys. Rev. B
71
,
024102
(
2005
).
8.
M. P.
Warusawithana
,
C.
Cen
,
C. R.
Sleasman
,
J. C.
Woicik
,
Y.
Li
,
L. F.
Kourkoutis
,
J. A.
Klug
,
H.
Li
,
P.
Ryan
,
L.
Wang
,
M.
Bedzyk
,
D. A.
Muller
,
L.
Chen
,
J.
Levy
, and
D. G.
Schlom
,
Science
324
,
367
(
2009
).
9.
H. W.
Jang
,
A.
Kumar
,
S.
Denev
,
M. D.
Biegalski
,
P.
Maksymovych
,
C. W.
Bark
,
C. T.
Nelson
,
C. M.
Folkman
,
S. H.
Baek
,
N.
Balke
,
C. M.
Brooks
,
D. A.
Tenne
,
D. G.
Schlom
,
L. Q.
Chen
,
X. Q.
Pan
,
S. V.
Kalinin
,
V.
Gopalan
, and
C. B.
Eom
,
Phys. Rev. Lett.
104
,
197601
(
2010
).
10.
X.
Zhang
,
A. A.
Demkov
,
H.
Li
,
X.
Hu
,
Y.
Wei
, and
J.
Kulik
,
Phys. Rev. B
68
,
125323
(
2003
).
11.
F. S.
Aguirre-Tostado
,
A.
Herrera-Gomez
,
J. C.
Woicik
,
R.
Droopad
,
Z.
Yu
,
D. G.
Schlom
,
P.
Zschack
,
E.
Karapetrova
,
P.
Pianetta
, and
C. S.
Hellberg
,
Phys. Rev. B
70
,
201403
(
2004
).
12.
D.
Su
,
B.
Yang
,
N.
Jiang
,
M.
Sawicki
,
C.
Broadbridge
,
M.
Couillard
,
J. W.
Reiner
,
F. J.
Walker
,
C. H.
Ahn
, and
Y.
Zhu
,
Appl. Phys. Lett.
96
,
121914
(
2010
).
13.
J. C.
Woicik
,
E. L.
Shirley
,
C. S.
Hellberg
,
K. E.
Andersen
,
S.
Sambasivan
,
D. A.
Fischer
,
B. D.
Chapman
,
E. A.
Stern
,
P.
Ryan
,
D. L.
Ederer
, and
H.
Li
,
Phys. Rev. B
75
,
140103
(
2007
).
14.
R. A.
McKee
,
F. J.
Walker
, and
M. F.
Chisholm
,
Science
293
,
468
(
2001
).
15.
J. C.
Woicik
,
H.
Li
,
P.
Zschack
,
E.
Karapetrova
,
P.
Ryan
,
C. R.
Ashman
, and
C. S.
Hellberg
,
Phys. Rev. B
73
,
024112
(
2006
).
16.
R. V.
Wang
,
D. D.
Fong
,
F.
Jiang
,
M. J.
Highland
,
P. H.
Fuoss
,
C.
Thompson
,
A. M.
Kolpak
,
J. A.
Eastman
,
S. K.
Streiffer
,
A. M.
Rappe
, and
G. B.
Stephenson
,
Phys. Rev. Lett.
102
,
047601
(
2009
).
17.
J. W.
Reiner
,
A. M.
Kolpak
,
Y.
Segal
,
K. F.
Garrity
,
S.
Ismail-Beigi
,
C. H.
Ahn
, and
F. J.
Walker
,
Adv. Mater.
22
,
2919
(
2010
).
18.
J. W.
Reiner
,
K. F.
Garrity
,
F. J.
Walker
,
S.
Ismail-Beigi
, and
C. H.
Ahn
,
Phys. Rev. Lett.
101
,
105503
(
2008
).
19.
I. K.
Robinson
and
D. J.
Tweet
,
Rep. Prog. Phys.
55
,
599
(
1992
).
20.
E. D.
Specht
and
F. J.
Walker
,
J. Appl. Crystallogr.
26
,
166
(
1993
).
21.
Y.
Segal
,
J. W.
Reiner
,
Z.
Zhang
,
C. H.
Ahn
, and
F. J.
Walker
,
J. Vac. Sci. Technol. B
28
,
C5B1
(
2010
).
22.
Y.
Yacoby
,
M.
Sowwan
,
E.
Stern
,
J. O.
Cross
,
D.
Brewe
,
R.
Pindak
,
J.
Pitney
,
E. M.
Dufresne
, and
R.
Clarke
,
Nature Mater.
1
,
99
(
2002
).
23.
M.
Björck
and
G.
Andersson
,
J. Appl. Crystallogr.
40
,
1174
(
2007
).
24.
L. F.
Kourkoutis
,
C. S.
Hellberg
,
V.
Vaithyanathan
,
H.
Li
,
M. K.
Parker
,
K. E.
Andersen
,
D. G.
Schlom
, and
D. A.
Muller
,
Phys. Rev. Lett.
100
,
036101
(
2008
).
25.
B. C.
Frazer
,
H. R.
Danner
, and
R.
Pepinsky
,
Phys. Rev.
100
,
745
(
1955
).
26.
A. M.
Kolpak
,
F. J.
Walker
,
J. W.
Reiner
,
Y.
Segal
,
D.
Su
,
M. S.
Sawicki
,
C. C.
Broadbridge
,
Z.
Zhang
,
Y.
Zhu
,
C. H.
Ahn
, and
S.
Ismail-Beigi
,
Phys. Rev. Lett.
105
,
217601
(
2010
).
You do not currently have access to this content.