Enhancement of polarization and related properties in heteroepitaxially constrained thin films of the ferroelectromagnet, BiFeO3, is reported. Structure analysis indicates that the crystal structure of film is monoclinic in contrast to bulk, which is rhombohedral. The films display a room-temperature spontaneous polarization (50 to 60 microcoulombs per square centimeter) almost an order of magnitude higher than that of the bulk (6.1 microcoulombs per square centimeter). The observed enhancement is corroborated by first-principles calculations and found to originate from a high sensitivity of the polarization to small changes in lattice parameters. The films also exhibit enhanced thickness-dependent magnetism compared with the bulk. These enhanced and combined functional responses in thin film form present an opportunity to create and implement thin film devices that actively couple the magnetic and ferroelectric order parameters.

Magnetoelectric multiferroics combine ferromagnetism (a spontaneous magnetization that can be switched by a magnetic field) and ferroelectricity (a spontaneous electric polarization that can be switched by an electric field) in the same phase. They have tremendous potential for applications, not only because they possess the properties of both parent phenomena, but also because coupling between ferromagnetism and ferroelectricity can lead to additional novel effects. In their Perspective, Spaldin and Fiebig discuss the factors behind the recent resurgence of interest in magnetoelectric multiferroics, describe some exciting results emerging from the current research activities, and point to important challenges and directions for future work.

We analyze the coupling between the ferroelectric and magnetic order parameters in the magnetoelectric multiferroic $\mathrm{Bi}\mathrm{Fe}{\mathrm{O}}_{3}$ using density functional theory within the local spin density approximation (LSDA) and the $\mathrm{LSDA}+\mathrm{U}$ method. We show that weak ferromagnetism of the Dzyaloshinskii-Moriya type occurs in this material, and we analyze the coupling between the resulting magnetization and the structural distortions. We explore the possibility of electric-field-induced magnetization reversal and show that, although it is unlikely to be realized in $\mathrm{Bi}\mathrm{Fe}{\mathrm{O}}_{3}$, it is not in general impossible. Finally, we outline the conditions that must be fulfilled to achieve switching of the magnetization using an electric field.

The ground-state structural and electronic properties of ferroelectric $\mathrm{Bi}\mathrm{Fe}{\mathrm{O}}_{3}$ are calculated using density functional theory within the local spin-density approximation (LSDA) and the $\mathrm{LSDA}+U$ method. The crystal structure is computed to be rhombohedral with space group $R3c$, and the electronic structure is found to be insulating and antiferromagnetic, both in excellent agreement with available experiments. A large ferroelectric polarization of $90--100\phantom{\rule{0.3em}{0ex}}\ensuremath{\mu}\mathrm{C}∕{\mathrm{cm}}^{2}$ is predicted, consistent with the large atomic displacements in the ferroelectric phase and with recent experimental reports, but differing by an order of magnitude from early experiments. One possible explanation is that the latter may have suffered from large leakage currents. However, both past and contemporary measurements are shown to be consistent with the modern theory of polarization, suggesting that the range of reported polarizations may instead correspond to distinct switching paths in structural space. Modern measurements on well-characterized bulk samples are required to confirm this interpretation.

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.

Understanding the ferroelectrocity in magnetic ferroelectric oxides is of both fundamental and technological importance. Here, we identify the nature of the ferroelectric phase transition in the hexagonal manganite, YMnO3, using a combination of single-crystal X-ray diffraction, thorough structure analysis and first-principles density-functional calculations. The ferroelectric phase is characterized by a buckling of the layered MnO5 polyhedra, accompanied by displacements of the Y ions, which lead to a net electric polarization. Our calculations show that the mechanism is driven entirely by electrostatic and size effects, rather than the usual changes in chemical bonding associated with ferroelectric phase transitions in perovskite oxides. As a result, the usual indicators of structural instability, such as anomalies in Born effective charges on the active ions, do not hold. In contrast to the chemically stabilized ferroelectrics, this mechanism for ferroelectricity permits the coexistence of magnetism and ferroelectricity, and so suggests an avenue for designing novel magnetic ferroelectrics.

Biffed into Shape BiFeO 3 is known to have a very large ferroelectric polarization. Although the bulk ground state is rhombohedral (with the electrical polarization along the [111] direction), in thin films and under epitaxial strain, the material can be tetragonally distorted (polarization along [001]). Zeches et al. (p. 977 ) show that under compressive strain, these films are monoclinic, a phase that is highly stable because it comprises the same symmetry as the monoclinic phase which has been reported at the so-called morphotropic phase boundaries in technologically important ferroelectrics. This work offers the possibility of obtaining large piezoelectric responses in lead-free systems.

Working in concert, theorists and experimentalists have found promising new ways to get two traditional foes—ferroelectricity and magnetism—to coexist