Domain walls may play an important role in future electronic devices, given their small size as well as the fact that their location can be controlled. Here, we report the observation of room-temperature electronic conductivity at ferroelectric domain walls in the insulating multiferroic BiFeO(3). The origin and nature of the observed conductivity are probed using a combination of conductive atomic force microscopy, high-resolution transmission electron microscopy and first-principles density functional computations. Our analyses indicate that the conductivity correlates with structurally driven changes in both the electrostatic potential and the local electronic structure, which shows a decrease in the bandgap at the domain wall. Additionally, we demonstrate the potential for device applications of such conducting nanoscale features.

In order to determine the origin of image contrast in piezoresponse force microscopy (PFM), analytical descriptions of the complex interactions between a small tip and ferroelectric surface are derived for several sets of limiting conditions. Image charge calculations are used to determine potential and field distributions at the tip-surface junction between a spherical tip and an anisotropic dielectric half plane. Methods of Hertzian mechanics are used to calculate the response amplitude in the electrostatic regime. In the electromechanical regime, the limits of strong (classical) and weak (field-induced) indentation are established and the relative contributions of electroelastic constants are determined. These results are used to construct ``piezoresponse contrast mechanism maps'' that correlate the imaging conditions with the PFM contrast mechanisms. Conditions for quantitative PFM imaging are set forth. Variable-temperature PFM imaging of domain structures in ${\mathrm{BaTiO}}_{3}$ and the temperature dependence of the piezoresponse are compared with Ginzburg-Devonshire theory. An approach to the simultaneous acquisition of piezoresponse and surface potential images is proposed.

Ferroelectric Patterning with High Fields Ferroelectric oxides have a net polarization that can switch direction upon application of a sufficiently high electric field. In principle, a ferroelectric thin film should be able to act as a polar switch—tunneling an electron through the film would effectively switch on or off depending on the direction of the polarization. In practice, the length scale needed for a sufficiently small tunneling barrier is nearly the same as the scale at which films no longer support ferroelectricity. Maksymovych et al. (p. 1421 ) now show that the tip of an atomic force microscope can be used to pattern polarization domains in a thin film of lead zirconate titanate in high electric fields similar to those for field emission tips.

Mapping energy transformation pathways and dissipation on the nanoscale and understanding the role of local structure in dissipative behavior is a key challenge for imaging in areas ranging from electronics and information technologies to efficient energy production. Here we develop a family of novel scanning probe microscopy (SPM) techniques in which the cantilever is excited and the response is recorded over a band of frequencies simultaneously, rather than at a single frequency as in conventional SPMs. This band excitation (BE) SPM allows very rapid acquisition of the full frequency response at each point (i.e. transfer function) in an image and in particular enables the direct measurement of energy dissipation through the determination of the Q-factor of the cantilever–sample system. The BE method is demonstrated for force–distance and voltage spectroscopies and for magnetic dissipation imaging with sensitivity close to the thermomechanical limit. The applicability of BE for various SPMs is analyzed, and the method is expected to be universally applicable to ambient and liquid SPMs.

The application of ferroelectric materials for electronic devices necessitates the quantitative study of local switching behavior, including imprint, coercive bias, remanent and saturation responses, and work of switching. Here we introduce switching spectroscopy piezoresponse force microscopy as a tool for real-space imaging of switching properties on the nanoscale. The hysteresis curves, acquired at each point in the image, are analyzed in the thermodynamic and kinetic limits. We expect that this approach will further understanding of the relationships between material microstructure and polarization switching phenomena on the nanoscale, and provide a quantitative tool for ferroelectric-based device characterization.

Our understanding of the ``long range'' electrodynamic, electrostatic, and polar interactions that dominate the organization of small objects at separations beyond an interatomic bond length is reviewed. From this basic-forces perspective, a large number of systems are described from which one can learn about these organizing forces and how to modulate them. The many practical systems that harness these nanoscale forces are then surveyed. The survey reveals not only the promise of new devices and materials, but also the possibility of designing them more effectively.

Ferroelectrics and multiferroics have recently emerged as perspective materials for information technology and data storage applications. The combination of extremely narrow domain wall width and the capability to manipulate polarization by electric field opens the pathway toward ultrahigh (>10 TBit inch−2) storage densities and small (sub-10 nm) feature sizes. The coupling between polarization and chemical and transport properties enables applications in ferroelectric lithography and electroresistive devices. The progress in these applications, as well as fundamental studies of polarization dynamics and the role of defects and disorder on domain nucleation and wall motion, requires the capability to probe these effects on the nanometer scale. In this review, we summarize the recent progress in applications of piezoresponse force microscopy (PFM) for imaging, manipulation and spectroscopy of ferroelectric switching processes. We briefly introduce the principles and relevant instrumental aspects of PFM, with special emphasis on resolution and information limits. The local imaging studies of domain dynamics, including local switching and relaxation accessed through imaging experiments and spectroscopic studies of polarization switching, are discussed in detail. Finally, we review the recent progress on understanding and exploiting photochemical processes on ferroelectric surfaces, the role of surface adsorbates, and imaging and switching in liquids. Beyond classical applications, probing local bias-induced transition dynamics by PFM opens the pathway to studies of the influence of a single defect on electrochemical and solid state processes, thus providing model systems for batteries, fuel cells and supercapacitor applications.

The transport physics of domain wall conductivity in La-doped bismuth ferrite (BiFeO3) has been probed using variable temperature conducting atomic force microscopy and piezoresponse force microscopy in samples with arrays of domain walls in the as-grown state. Nanoscale current measurements are investigated as a function of bias and temperature and are shown to be consistent with distinct electronic properties at the domain walls leading to changes in the observed local conductivity. Our observation is well described within a band picture of the observed electronic conduction. Finally, we demonstrate an additional degree of control of the wall conductivity through chemical doping with oxygen vacancies, thus influencing the local conductive state.