The leakage current in all oxide epitaxial (La,Sr)MnO3-ferroelectric-(La,Sr)MnO3 structures, where the ferroelectric layer is either BaTiO3 or Pb(Zr0.2Ti0.8)O3, was analyzed on a broad range of temperatures and for different thicknesses of the ferroelectric layer. It was found that, although the structures are nominally symmetric, the current-voltage (I–V) characteristics are asymmetric. The leakage current depends strongly on the thicknesses of the ferroelectric layer, on temperature and on the polarity of the applied voltage. Simple conduction mechanisms such as space charge limited currents or thermionic emission cannot explain in the same time the voltage, temperature, and thickness dependence of the experimentally measured leakage currents. A combination between interface limited charge injection and bulk controlled drift-diffusion (through hopping in the case of BTO and through band mobility in the case of PZT) is qualitatively explaining the experimental I–V characteristics.

1.
L. W.
Martin
,
S. P.
Crane
,
Y. H.
Chu
,
M. B.
Holcomb
,
M.
Gajek
,
M.
Huijben
,
C. H.
Yang
,
N.
Balke
, and
R.
Ramesh
,
J. Phys.: Condens. Matter
20
,
434220
(
2008
).
2.
J.
Ma
,
J.
Hu
,
Z.
Li
, and
C. W.
Nan
,
Adv. Mater.
23
,
1062
(
2011
).
3.
C. W.
Nan
,
M. I.
Bichurin
,
S.
Dong
,
D.
Viehland
, and
G.
Srinivasan
,
J. Appl. Phys.
103
,
031101
(
2008
).
4.
R.
Ramesh
and
N. A.
Spaldin
,
Nature Mater.
6
,
21
(
2007
).
5.
D. I.
Khomskii
,
Physics
2
,
20
(
2009
).
6.
J. F.
Scott
,
Nature Mater.
6
,
256
(
2007
).
7.
Y. W.
Yin
,
M.
Raju
,
W. J.
Hu
,
X. J.
Weng
,
X. G.
Li
, and
Q.
Li
,
J. Appl. Phys.
109
,
07D915
(
2011
).
8.
M. Ye.
Zhuravlev
,
S.
Maekawa
, and
E. Y.
Tsymbal
,
Phys. Rev. B
81
,
104419
(
2010
).
9.
D.
Pantel
,
S.
Goetze
,
D.
Hesse
, and
M.
Alexe
,
Nature Mater.
11
,
289
(
2012
).
10.
D.
Pantel
,
S.
Goetze
,
D.
Hesse
, and
M.
Alexe
,
ACS Nano
5
,
6032
(
2011
).
11.
Z.
Trajanovic
,
C.
Kwon
,
M. C.
Robson
,
K.-C.
Kim
,
M.
Rajeswari
,
R.
Ramesh
,
T.
Venkatesan
,
S. E.
Lofland
,
S. M.
Bhagat
, and
D.
Fork
,
Appl. Phys. Lett.
69
,
1005
(
1996
).
12.
P.
Perna
,
C.
Rodrigo
,
E.
Jiménez
,
F. J.
Teran
,
N.
Mikuszeit
,
L.
Méchin
,
J.
Camarero
, and
R.
Miranda
,
J. Appl. Phys.
110
,
013919
(
2011
).
13.
R.
Mundle
,
R. B.
Konda
,
O.
Bamiduro
,
O.
Yasar
,
F.
Williams
,
M.
Bahoura
,
A. K.
Pradhan
,
D. R.
Sahu
,
J.-L.
Huang
, and
D. E.
Nikonov
,
J. Appl. Phys.
105
,
07C907
(
2009
).
14.
C. A. F.
Vaz
,
J.
Hoffman
,
Y.
Segal
,
J. W.
Reiner
,
R. D.
Grober
,
Z.
Zhang
,
C. H.
Ahn
, and
F. J.
Walker
,
Phys. Rev. Lett.
104
,
127202
(
2010
).
15.
M. E.
Lines
and
A. M.
Glass
,
Principles and Applications of Ferroelectrics and Related Materials
(
Clarendon Press
,
Oxford, UK
,
1977
).
16.
M.
Klee
,
F. L.
Eusemann
,
F. L.
Waser
,
W.
Brand
, and
H.
van Hal
,
J. Appl. Phys.
72
,
1566
(
1992
).
17.
M.
de Keijser
,
J. F. M.
Cillessen
,
R. B. F.
Janssen
,
A. E. M.
De Veirman
, and
D. M.
de Leeuw
,
J. Appl. Phys.
79
,
393
(
1996
).
18.
Y. P.
Lee
,
S. Y.
Park
,
Y. H.
Hyun
,
J. B.
Kim
,
V. G.
Prokhorov
,
V. A.
Komashko
, and
V. L.
Svetchnikov
,
Phys. Rev. B
73
,
224413
(
2006
).
19.
R.
Martínez
,
A.
Kumar
,
R.
Palai
,
R. S.
Katiyar
, and
J. F.
Scott
,
J. Appl. Phys.
107
,
114107
(
2010
).
20.
M.
Sirena
,
E.
Kaul
,
M. B.
Pedreros
,
C. A.
Rodriguez
,
J.
Guimpel
, and
L. B.
Steren
,
J. Appl. Phys.
109
,
123920
(
2011
).
21.
V. G.
Prokhorov
,
V. A.
Komashko
,
G. G.
Kaminsky
,
K. K.
Yu
,
S. J.
Jun
,
S. Y.
Park
,
J. S.
Park
,
Y. P.
Lee
, and
V. L.
Svetchnikov
,
Low Temp. Phys.
33
,
58
(
2007
).
22.
P. S.
Krishnan
,
M.
Arredondo
,
M.
Saunders
,
Q. M.
Ramasse
,
N.
Valanoor
, and
P.
Munroe
,
J. Appl. Phys.
109
,
034103
(
2011
).
23.
W.
Wu
,
K. H.
Wong
,
C. L.
Choy
, and
Y. H.
Zhang
,
Appl. Phys. Lett.
77
,
3441
(
2000
).
24.
F.
Chen
,
Q. Z.
Liu
,
H. F.
Wang
,
F. H.
Zhang
, and
W.
Wu
,
Appl. Phys. Lett.
90
,
192907
(
2007
).
25.
J.
Hoffman
,
X.
Hong
, and
C. H.
Ahn
,
Nanotechnology
22
,
254014
(
2011
).
26.
D.
Mukherjee
,
R.
Hyde
,
M.
Hordagoda
,
N.
Bingham
,
H.
Srikanth
,
S.
Witanachchi
, and
P.
Mukherjee
,
J. Appl. Phys.
112
,
064101
(
2012
).
27.
G.
Niu
,
B.
Gautier
,
S.
Yin
,
G.
Saint-Girons
,
P.
Lecoeur
,
V.
Pillard
,
G.
Hollinger
, and
B.
Vilquin
,
Thin Solid Films
520
,
4595
(
2012
).
28.
J. Q.
He
,
E.
Vasco
,
R.
Dittmann
, and
R. H.
Wang
,
Phys. Rev. B
73
,
125413
(
2006
).
29.
A.
Petraru
,
N. A.
Pertsev
,
H.
Kohlstedt
,
U.
Poppe
,
A.
Solbach
,
U.
Klemradt
, and
R.
Waser
,
J. Appl. Phys.
101
,
114106
(
2007
).
30.
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
).
31.
W.
Schottky
,
Phys. Z.
41
,
570
(
1940
).
32.
J. G.
Simmons
,
Phys. Rev. Lett.
23
,
297
(
1969
).
33.
L.
Pintilie
,
I.
Vrejoiu
,
D.
Hesse
,
G.
LeRhun
, and
M.
Alexe
,
Phys. Rev. B
75
,
104103
(
2007
).
34.
K. C.
Kao
and
W.
Hwang
,
Electrical Transport in Solids
(
Pergamon
,
Oxford
,
1981
).
35.
S. M.
Sze
,
Physics of Semiconductor Devices
(
Wiley
,
New York
,
1981
).
36.
M. A.
Lampert
and
P.
Mark
,
Current Injection in Solids
(
Academic
,
New York
,
1970
).
37.
D. S.
Shang
,
L. D.
Chen
,
Q.
Wang
,
W. Q.
Zhang
,
Z. H.
Wu
, and
X. M.
Li
,
Appl. Phys. Lett.
89
,
172102
(
2006
).
38.
V.
Kumar
,
S. C.
Jain
,
A. K.
Kapoor
,
J.
Poortmans
, and
R.
Mertens
,
J. Appl. Phys.
94
,
1283
(
2003
).
39.
J.
Rybickiy
,
A.
Rybickay
,
S.
Feliziani
, and
M.
Chybicki
,
J. Phys.: Condens. Matter
8
,
2089
(
1996
).
40.
M. L.
Knotek
,
M.
Pollak
,
T. M.
Donovan
, and
H.
Kurtzman
,
Phys. Rev. Lett.
30
,
853
(
1973
).
41.
U.
Boettger
and
V.
Bryskin
,
Hopping Conduction in Solids
(
Akademie Verlag
,
Berlin
,
1985
).
42.
L.
Pintilie
,
I.
Boerasu
,
M. J. M.
Gomes
,
T.
Zhao
,
R.
Ramesh
, and
M.
Alexe
,
J. Appl. Phys.
98
,
124104
(
2005
).
43.
C. S.
Hwang
,
B. T.
Lee
,
C. S.
Kang
,
K. H.
Lee
,
H. J.
Cho
,
H.
Hideki
,
W. D.
Kim
,
S. I.
Lee
, and
M. Y.
Lee
,
J. Appl. Phys.
85
,
287
(
1999
).
44.
M.
Dawber
and
J. F.
Scott
,
Appl. Phys. Lett.
76
,
1060
(
2000
).
45.
W.
Kinase
,
J.
Kobayashi
, and
N.
Yamada
,
Phys. Rev.
116
,
348
(
1959
).
46.
I.
Vrejoiu
,
G.
Le Rhun
,
L.
Pintilie
,
D.
Hesse
,
M.
Alexe
, and
U.
Gösele
,
Adv. Mater.
18
,
1657
(
2006
).
You do not currently have access to this content.