発表者 

小出　卓史（田畑研） 

指導教官 

田畑　仁 

Title 

Room-temperature ferroelectricity in strained SrTiO3

Abstract 

Systems with a ferroelectric to paraelectric transition in the vicinity of room temperature are useful for devices. Adjusting the ferroelectric transition temperature (Tc) is traditionally accomplished by chemical substitution?as in BaxSr1-xTiO3, the material widely investigated for microwave devices in which the dielectric constant ( r) at GHz frequencies is tuned by applying a quasi-static electric field Heterogeneity associated with chemical substitution in such films, however, can broaden this phase transition by hundreds of degrees, which is detrimental to tunability and microwave device performance. An alternative way to adjust Tc in ferroelectric films is strain. Here we show that epitaxial strain from a newly developed substrate can be harnessed to increase Tc by hundreds of degrees and produce room-temperature ferroelectricity in strontium titanate, a material that is not normally ferroelectric at any temperature. This strain-induced enhancement in Tc is the largest ever reported. Spatially resolved images of the local polarization state reveal a uniformity that far exceeds films tailored by chemical substitution. The high  r at room temperature in these films (nearly 7,000 at 10 GHz) and its sharp dependence on electric field are promising for device application.

概要 

室温付近で強誘電性から常誘電性への転移を示す系はデバイスの作成に役立つ。強誘電性転移温度（Tc）の調節は従来化学置換によって行われてきた。その一例はBaxSr1−xTiO3という材料で、準静電場をかけることでGHz周波数での誘電率 rを調節できるマイクロ波デバイス用に広く研究されている。しかし、その種の膜での化学置換には不均一性が伴うため、この相転移温度幅は何百度にも広がり、調節可能性とマイクロ波デバイスの性能が損なわれる。強誘電性膜のTcを調節する別の方法はひずみである。今回我々は、新たに開発された基板からのエピタキシャルひずみを利用して、通常はどの温度でも強誘電性を示さないチタン酸ストロンチウムのTcを何百度も上昇させ、室温での強誘電性を生み出すことができた。ひずみによるこのTc上昇はこれまでに報告されたうちで最大である。局所的な分極状態の空間分解像から、化学置換で作られた膜を凌駕する均一性が明らかになった。この膜が室温で高い r（10 GHzでほぼ7,000）をもち、それが電場に鋭敏に依存することから、デバイスへの応用が期待できる。 
Reference 
     Nature 430, 758-761(12 August 2004) | doi:10.1038/nature02773; Received 12 March 2004; Accepted 22 June 2004