In conventional solid-state photovoltaics, electron-hole pairs are created by light absorption in a semiconductor and separated by the electric field spaning a micrometre-thick depletion region. The maximum voltage these devices can produce is equal to the semiconductor electronic bandgap. Here, we report the discovery of a fundamentally different mechanism for photovoltaic charge separation, which operates over a distance of 1-2 nm and produces voltages that are significantly higher than the bandgap. The separation happens at previously unobserved nanoscale steps of the electrostatic potential that naturally occur at ferroelectric domain walls in the complex oxide BiFeO(3). Electric-field control over domain structure allows the photovoltaic effect to be reversed in polarity or turned off. This new degree of control, and the high voltages produced, may find application in optoelectronic devices.

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.

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.

The ability to measure subtle changes in arterial pressure using devices mounted on the skin can be valuable for monitoring vital signs in emergency care, detecting the early onset of cardiovascular disease and continuously assessing health status. Conventional technologies are well suited for use in traditional clinical settings, but cannot be easily adapted for sustained use during daily activities. Here we introduce a conformal device that avoids these limitations. Ultrathin inorganic piezoelectric and semiconductor materials on elastomer substrates enable amplified, low hysteresis measurements of pressure on the skin, with high levels of sensitivity (~0.005 Pa) and fast response times (~0.1 ms). Experimental and theoretical studies reveal enhanced piezoelectric responses in lead zirconate titanate that follow from integration on soft supports as well as engineering behaviours of the associated devices. Calibrated measurements of pressure variations of blood flow in near-surface arteries demonstrate capabilities for measuring radial artery augmentation index and pulse pressure velocity. The development of more sensitive tools for physiological monitoring presents obvious advantages in health-care and diagnostic assessment. Here, the authors present a thin, skin-like sensor that uses enhanced responses in lead zirconate titanate for monitoring arterial pressure waves.

In material systems with several interacting degrees of freedom, the complex interplay between these factors can give rise to exotic phases; now superlattices consisting of alternating layers of PbTiO3 and SrTiO3 are found to exhibit an unusual form of ferroelectric ordering in the PbTiO3 layers, in which the electric dipoles arrange themselves into regular, ordered arrays of vortex–antivortex structures. In material systems with several interacting degrees of freedom (such as spin, charge and lattice distortions), the complex interplay between these factors can give rise to exotic phases. A vivid example of such behaviour has been identified by Ramamoorthy Ramesh and colleagues in superlattices consisting of alternating layers of PbTiO3 and SrTiO3. They observe the formation of an unusual form of ferroelectric ordering in the PbTiO3 layers, in which the electric dipoles arrange themselves into regular vortex–antivortex array structures, suggesting potential routes for further tuning and enhancing the properties of these versatile oxide materials. The complex interplay of spin, charge, orbital and lattice degrees of freedom provides a plethora of exotic phases and physical phenomena1,2,3,4,5. In recent years, complex spin topologies have emerged as a consequence of the electronic band structure and the interplay between spin and spin–orbit coupling in materials6,7. Here we produce complex topologies of electrical polarization—namely, nanometre-scale vortex–antivortex (that is, clockwise–anticlockwise) arrays that are reminiscent of rotational spin topologies6—by making use of the competition between charge, orbital and lattice degrees of freedom in superlattices of alternating lead titanate and strontium titanate layers. Atomic-scale mapping of the polar atomic displacements by scanning transmission electron microscopy reveals the presence of long-range ordered vortex–antivortex arrays that exhibit nearly continuous polarization rotation. Phase-field modelling confirms that the vortex array is the low-energy state for a range of superlattice periods. Within this range, the large gradient energy from the vortex structure is counterbalanced by the corresponding large reduction in overall electrostatic energy (which would otherwise arise from polar discontinuities at the lead titanate/strontium titanate interfaces) and the elastic energy associated with epitaxial constraints and domain formation. These observations have implications for the creation of new states of matter (such as dipolar skyrmions, hedgehog states) and associated phenomena in ferroic materials, such as electrically controllable chirality.

The growth and characterization of functional oxide thin films that are ferroelectric, magnetic, or both at the same time are reviewed. The evolution of synthesis techniques and how advances in in situ characterization have enabled significant acceleration in improvements to these materials are described. Methods for enhancing the properties of functional materials or creating entirely new functionality at interfaces are covered, including strain engineering and layering control at the atomic-layer level. Emerging applications of these functional oxides such as achieving electrical control of ferromagnetism and the future of these complex functional oxides is discussed.

We report a photovoltaic effect in ferroelectric BiFeO3 thin films. The all-oxide heterostructures with SrRuO3 bottom and tin doped indium oxide top electrodes are characterized by open-circuit voltages ∼0.8–0.9 V and external quantum efficiencies up to ∼10% when illuminated with the appropriate light. Efficiencies are at least an order of magnitude larger than the maximum efficiency under sunlight (AM 1.5) thus far reported for ferroelectric-based devices. The dependence of the measured open-circuit voltage on film thickness suggests contributions to the large open-circuit voltage from both the ferroelectric polarization and band offsets at the BiFeO3/tin doped indium oxide interface.

The authors report results of transport studies on high quality, fully epitaxial BiFeO3 thin films grown via pulsed laser deposition on SrRuO3∕DyScO3 (110) substrates. Ferroelectric tests were conducted using symmetric and asymmetric device structures with either SrRuO3 or Pt top electrodes and SrRuO3 bottom electrodes. Comparison between these structures demonstrates the influence of electrode selection on the dominant transport mechanism. Analysis of film electrical response suggests Poole-Frenkel emission as the limiting leakage current mechanism in the symmetric structure. Temperature dependent measurements yield trap ionization energies of ∼0.65–0.8eV. No clear dominant leakage mechanism was observed for the asymmetric structure.

Complex topological configurations are fertile ground for exploring emergent phenomena and exotic phases in condensed-matter physics. For example, the recent discovery of polarization vortices and their associated complex-phase coexistence and response under applied electric fields in superlattices of (PbTiO3)n/(SrTiO3)n suggests the presence of a complex, multi-dimensional system capable of interesting physical responses, such as chirality, negative capacitance and large piezo-electric responses1-3. Here, by varying epitaxial constraints, we discover room-temperature polar-skyrmion bubbles in a lead titanate layer confined by strontium titanate layers, which are imaged by atomic-resolution scanning transmission electron microscopy. Phase-field modelling and second-principles calculations reveal that the polar-skyrmion bubbles have a skyrmion number of +1, and resonant soft-X-ray diffraction experiments show circular dichroism, confirming chirality. Such nanometre-scale polar-skyrmion bubbles are the electric analogues of magnetic skyrmions, and could contribute to the advancement of ferroelectrics towards functionalities incorporating emergent chirality and electrically controllable negative capacitance.