journal article·2025

Exploring the intrinsic dielectric behavior of SrTiO 3 -based heterostructures: the impact of layer architecture on soft mode dynamics

Alexander V. Melentev, Polina A. Dvortsova, Aleksandr A. Levin, Sergey M. Suturin, Nikolai S. Sokolov, Maria A. Kirsanova, Mikhail V. Talanov

Nanoscale· Volume 17· Issue 34
Publisher page

Abstract

(AFO) with single-layer STO films of similar individual (50 nm) and total (250 nm) thickness. Our findings reveal that increasing the thickness of the STO thin films from 50 nm to 250 nm leads to significant changes in the film microstructure and the degradation of dielectric properties. Notably, the average dielectric response and structural characteristics of the 5 × 50 nm STO layers in the heterostructure remain comparable to those of the single-layer 50 nm STO film, suggesting that the incorporation of intermediate AFO layers effectively mitigates the deterioration of the intrinsic dielectric characteristics of the STO layers. The pronounced temperature-dependent variations in soft mode frequency allow us to propose two potential mechanisms for this effect, which are based on the thermal strain build-up and the formation of defect-induced polar nanoregions. Our study demonstrates that intermediate AFO layers contribute not only magnetic properties to potential multiferroic heterostructures but also enhance the dielectric response, thereby expanding the possibilities of layer engineering.
Source: openalex_inverted_index · Quality: candidate unverified · Source record ↗

Research context

OpenAlex topics: Ferroelectric and Piezoelectric Materials · Multiferroics and related materials · Acoustic Wave Resonator Technologies

SciVX discovery tags are terminology-based. OpenAlex topics are source-provided classifications.

Affiliations

Moscow Center for Advanced Studies, 101000 Moscow, Russia

Ioffe Institute, 194021 St Petersburg, Russia

Advanced Imaging Core Facility, Skolkovo Institute of Science and Technology, 121205 Moscow, Russia

Center for Energy Science and Technology, Skolkovo Institute of Science and Technology, 121205 Moscow, Russia

Funding

Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation · Russian Science Foundation

References (100+)

Show source-provided references
1. Ramesh · Mater. Sci. Eng., R · 2001 · 32 · 19110.1016/S0927-796X(00)00032-2 ↗
2. Baek · Adv. Sci. · 2022 · 9 · 220056610.1002/advs.202200566 ↗
3. De Luca · Nat. Commun. · 2017 · 8 · 141910.1038/s41467-017-01620-2 ↗
4. Wang · Nat. Commun. · 2021 · 12 · 110910.1038/s41467-021-21320-2 ↗
5. Asadi · Appl. Phys. Rev. · 2020 · 7 · 02130710.1063/1.5128611 ↗
6. Hill · J. Phys. Chem. B · 2000 · 104 · 669410.1021/jp000114x ↗
7. Hu · Adv. Mater. · 2016 · 28 · 1510.1002/adma.201502824 ↗
8. Eerenstein · Nature · 2006 · 442 · 75910.1038/nature05023 ↗
9. Ryu · Jpn. J. Appl. Phys. · 2001 · 40 · 494810.1143/JJAP.40.4948 ↗
10. Ryu · Appl. Phys. Lett. · 2007 · 91 · 14291010.1063/1.2798054 ↗
11. Srinivasan · Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. · 2002 · 65 · 13440210.1103/PhysRevB.65.134402 ↗
12. Stein · J. Appl. Phys. · 2005 · 97 · 10Q30110.1063/1.1846631 ↗
13. Murugavel · J. Appl. Phys. · 2005 · 97 · 10391410.1063/1.1904153 ↗
14. Chen · J. Mater. Chem. C · 2017 · 5 · 1041710.1039/C7TC03653A ↗
15. Lebedev · IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insul. · 2005 · 12 · 53710.1109/TDEI.2005.1453459 ↗
16. Dawber · Adv. Mater. · 2007 · 19 · 415310.1002/adma.200700965 ↗
17. Schlom · Annu. Rev. Mater. Res. · 2007 · 37 · 58910.1146/annurev.matsci.37.061206.113016 ↗
18. Zhang · J. Mater. Chem. A · 2018 · 6 · 2455010.1039/C8TA09396B ↗
19. Sun · J. Materiomics · 2022 · 8 · 77210.1016/j.jmat.2022.02.007 ↗
20. Ortega · J. Phys.: Condens. Matter · 2012 · 24 · 445901
21. Gao · ACS Appl. Mater. Interfaces · 2018 · 10 · 2874510.1021/acsami.8b07151 ↗
22. Chen · Nano Energy · 2020 · 78 · 10539010.1016/j.nanoen.2020.105390 ↗
23. Sun · Adv. Mater. · 2017 · 29 · 160442710.1002/adma.201604427 ↗
24. Palneedi · Adv. Funct. Mater. · 2018 · 28 · 180366510.1002/adfm.201803665 ↗
25. Li · J. Adv. Ceram. · 2021 · 10 · 67510.1007/s40145-021-0500-3 ↗
26. Bousquet · Nature · 2008 · 452 · 73210.1038/nature06817 ↗
27. Santander-Syro · Nature · 2011 · 469 · 18910.1038/nature09720 ↗
28. Zhong · Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. · 1994 · 50 · 1237510.1103/PhysRevB.50.12375 ↗
29. Pérez De La Cruz · J. Appl. Phys. · 2010 · 108 · 11410610.1063/1.3514170 ↗
30. Pertsev · J. Appl. Phys. · 2007 · 101 · 07410210.1063/1.2713934 ↗
31. Nagarajan · J. Appl. Phys. · 2006 · 100 · 05160910.1063/1.2337363 ↗
32. Junquera · Nature · 2003 · 422 · 50610.1038/nature01501 ↗
33. Fong · Science · 2004 · 304 · 165010.1126/science.1098252 ↗
34. Gao · Nat. Commun. · 2017 · 8 · 1554910.1038/ncomms15549 ↗
35. Haeni · Nature · 2004 · 430 · 75810.1038/nature02773 ↗
36. Pertsev · Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. · 2000 · 61 · R82510.1103/PhysRevB.61.R825 ↗
37. Pertsev · Phys. Rev. Lett. · 1998 · 80 · 198810.1103/PhysRevLett.80.1988 ↗
38. Lee · Nature · 2005 · 433 · 39510.1038/nature03261 ↗
39. Okatan · Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. · 2009 · 79 · 17411310.1103/PhysRevB.79.174113 ↗
40. Ortega · J. Appl. Phys. · 2013 · 114 · 10410210.1063/1.4820576 ↗
41. Meyer · Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. · 2001 · 63 · 20542610.1103/PhysRevB.63.205426 ↗
42. Gao · Nat. Commun. · 2016 · 7 · 1131810.1038/ncomms11318 ↗
43. Chisholm · Phys. Rev. Lett. · 2010 · 105 · 19760210.1103/PhysRevLett.105.197602 ↗
44. Jia · Nat. Mater. · 2007 · 6 · 6410.1038/nmat1808 ↗
45. Hwang · Nat. Mater. · 2012 · 11 · 10310.1038/nmat3223 ↗
46. Ortega · Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. · 2011 · 83 · 14410810.1103/PhysRevB.83.144108 ↗
47. Janolin · J. Phys.: Condens. Matter · 2014 · 26 · 292201
48. Ihlefeld · J. Am. Ceram. Soc. · 2016 · 99 · 253710.1111/jace.14387 ↗
49. Lupi · Adv. Mater. · 2023 · 35 · 230201210.1002/adma.202302012 ↗
50. Chen · J. Alloys Compd. · 2017 · 695 · 191310.1016/j.jallcom.2016.11.025 ↗
51. Liu · ACS Appl. Mater. Interfaces · 2012 · 4 · 576110.1021/am301066u ↗
52. Lupi · Adv. Electron. Mater. · 2020 · 6 · 190139510.1002/aelm.201901395 ↗
53. Yuzyuk · Phys. Solid State · 2012 · 54 · 102610.1134/S1063783412050502 ↗
54. Kamba · APL Mater. · 2021 · 9 · 02070410.1063/5.0036066 ↗
55. Müller · Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. · 1979 · 19 · 359310.1103/PhysRevB.19.3593 ↗
56. Shirokov · Phys. Solid State · 2009 · 51 · 102510.1134/S1063783409050229 ↗
57. Tyunina · Sci. Rep. · 2019 · 9 · 367710.1038/s41598-019-40260-y ↗
58. Zhang · ACS Nano · 2018 · 12 · 130610.1021/acsnano.7b07539 ↗
59. Petzelt · J. Eur. Ceram. Soc. · 2003 · 23 · 262710.1016/S0955-2219(03)00190-0 ↗
60. Akimov · Phys. Rev. Lett. · 2000 · 84 · 462510.1103/PhysRevLett.84.4625 ↗
61. Tabata · Appl. Phys. Lett. · 1994 · 65 · 197010.1063/1.112837 ↗
62. El Marssi · J. Appl. Phys. · 2010 · 108 · 08410410.1063/1.3496620 ↗
63. Yuzyuk · J. Appl. Phys. · 2014 · 116 · 18410210.1063/1.4901207 ↗
64. Ranjith · Appl. Phys. Lett. · 2007 · 91 · 22290410.1063/1.2817933 ↗
65. Singh · Appl. Phys. Lett. · 2006 · 88 · 01290310.1063/1.2159094 ↗
66. Vaz · J. Phys.: Condens. Matter · 2012 · 24 · 333201
67. Martin · Acta Mater. · 2012 · 60 · 244910.1016/j.actamat.2011.12.024 ↗
68. Skoromets · Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. · 2014 · 89 · 21411610.1103/PhysRevB.89.214116 ↗
69. Saha · Solid State Commun. · 2012 · 152 · 196410.1016/j.ssc.2012.07.018 ↗
70. Suturin · J. Appl. Crystallogr. · 2016 · 49 · 153210.1107/S1600576716011407 ↗
71. Kabekkodu · Powder Diffr. · 2024 · 39 · 4710.1017/S0885715624000150 ↗
72. Maunders · Acta Crystallogr., Sect. B: Struct. Sci. · 2005 · 61 · 15410.1107/S0108768105001667 ↗
73. A. A.Levin , Program SizeCr for Calculation of the Microstructure Parameters from X-ray Diffraction Data, Preprint, 2022 , Available online: 10.13140/RG.2.2.15922.8928010.13140/RG.2.2.15922.89280 ↗
74. Langford · J. Appl. Crystallogr. · 1991 · 24 · 91310.1107/S0021889891004375 ↗
75. Terlan · Chem. Mater. · 2015 · 27 · 510610.1021/acs.chemmater.5b01856 ↗
76. Terlan · Eur. J. Inorg. Chem. · 2016 · 2016 · 346010.1002/ejic.201600315 ↗
77. M.Born , E.Wolf and A. B.Bhatia , Principles of optics: electromagnetic theory of propagation, interference, and diffraction of light , Cambridge University Press , Cambridge , 7th (expanded) anniversary edition, 60th anniversary edition, 201910.1017/9781108769914 ↗
78. Mitchell · Phys. Chem. Miner. · 2000 · 27 · 58310.1007/s002690000103 ↗
79. Hessen · J. Solid State Chem. · 1991 · 94 · 30610.1016/0022-4596(91)90196-O ↗
80. Bouree · Acta Crystallogr., Sect. B: Struct. Sci. · 1996 · 52 · 21710.1107/S0108768195010330 ↗
81. Yamanaka · Europhys. Lett. · 2000 · 50 · 68810.1209/epl/i2000-00325-6 ↗
82. Fedorov · Ferroelectrics · 1998 · 208–209 · 41310.1080/00150199808014890 ↗
83. Petzelt · Ferroelectrics · 2016 · 503 · 1910.1080/00150193.2016.1216702 ↗
84. Kinjo · Adv. Mater. Phys. Chem. · 2013 · 03 · 5810.4236/ampc.2013.31009 ↗
85. Kvyatkovskii · Phys. Solid State · 2001 · 43 · 140110.1134/1.1395075 ↗
86. Barrett · Phys. Rev. · 1952 · 86 · 11810.1103/PhysRev.86.118 ↗
87. Aschauer · J. Phys.: Condens. Matter · 2014 · 26 · 122203
88. Rowley · Nat. Phys. · 2014 · 10 · 36710.1038/nphys2924 ↗
89. De · Soviet Phys. – Solid State, USSR · 1971 · 13 · 687
90. He · Thin Solid Films · 2005 · 478 · 26110.1016/j.tsf.2004.10.033 ↗
91. Breckenfeld · Chem. Mater. · 2012 · 24 · 33110.1021/cm203042q ↗
92. Li · Mater. Sci. Eng., B · 1998 · 56 · 21810.1016/S0921-5107(98)00229-3 ↗
93. Boesch · Appl. Phys. Express · 2008 · 1 · 09160210.1143/APEX.1.091602 ↗
94. Finstrom · J. Appl. Phys. · 2007 · 101 · 03410910.1063/1.2433745 ↗
95. Kamalasanan · J. Appl. Phys. · 1993 · 74 · 67910.1063/1.355230 ↗
96. Thomas · J. Appl. Phys. · 1997 · 82 · 448410.1063/1.366181 ↗
97. Matsubara · MRS Proc. · 1990 · 200 · 24310.1557/PROC-200-243 ↗
98. Joshi · J. Appl. Phys. · 1993 · 73 · 762710.1063/1.353960 ↗
99. Marsik · Appl. Phys. Lett. · 2016 · 108 · 05290110.1063/1.4940976 ↗
100. Katayama · J. Lumin. · 2008 · 128 · 99810.1016/j.jlumin.2007.12.026 ↗