The electronic reconstruction at the interface between two insulating oxides can give rise to a highly conductive interface1,2. Here we show how, in analogy to this remarkable interface-induced conductivity, magnetism can be induced at the interface between the otherwise non-magnetic insulating perovskites SrTiO3 and LaAlO3. A large negative magnetoresistance of the interface is found, together with a logarithmic temperature dependence of the sheet resistance. At low temperatures, the sheet resistance reveals magnetic hysteresis. Magnetic ordering is a key issue in solid-state science and its underlying mechanisms are still the subject of intense research. In particular, the interplay between localized magnetic moments and the spin of itinerant conduction electrons in a solid gives rise to intriguing many-body effects such as Ruderman–Kittel–Kasuya–Yosida interactions3, the Kondo effect4 and carrier-induced ferromagnetism in diluted magnetic semiconductors5. The conducting oxide interface now provides a versatile system to induce and manipulate magnetic moments in otherwise non-magnetic materials.

In recent years, well-defined and nearly perfect single crystal surfaces of oxide perovskites have become increasingly important. A single terminated surface is a prerequisite for reproducible thin film growth and fundamental growth studies. In this work, atomic and lateral force microscopy have been used to display different terminations of SrTiO3. We observe hydroxylation of the topmost SrO layer after immersion of SrTiO3 in water, which is used to enhance the etch-selectivity of SrO relative to TiO2 in a buffered HF solution. We reproducibly obtain perfect and single terminated surfaces, irrespective of the initial state of polished surfaces and the pH value of the HF solution. This approach to the problem might be used for a variety of multi-component oxide single crystals. True two-dimensional reflection high-energy electron diffraction intensity oscillations are observed during homo epitaxial growth using pulsed laser deposition on these surfaces.

${\mathrm{SrRuO}}_{3}$ is endowed with three remarkable features. First, it is a moderately correlated material that exhibits several novel physical properties; second, it permits the epitaxial growth of essentially single-crystal films; and third, because it is a good conductor, it has attracted interest as a conducting layer in epitaxial heterostructures with a variety of functional oxides. In this review, the present state of knowledge of ${\mathrm{SrRuO}}_{3}$ thin films is summarized. Their role as a model system for studying magnetism and electron transport characterized by intermediate electron correlation and large magnetocrystalline anisotropy is demonstrated. The materials science of ${\mathrm{SrRuO}}_{3}$ thin film growth is reviewed, and its relationship to electronic, magnetic, and other physical properties is discussed. Finally, it is argued that, despite all that has been learned, a comprehensive understanding of ${\mathrm{SrRuO}}_{3}$ is still lacking and challenges remain.

Strain engineering enables modification of the properties of thin films using the stress from the substrates on which they are grown. Strain may be relaxed, however, and this can also modify the properties thanks to the coupling between strain gradient and polarization known as flexoelectricity. Here we have studied the strain distribution inside epitaxial films of the archetypal ferroelectric PbTiO(3), where the mismatch with the substrate is relaxed through the formation of domains (twins). Synchrotron X-ray diffraction and high-resolution scanning transmission electron microscopy reveal an intricate strain distribution, with gradients in both the vertical and, unexpectedly, the horizontal direction. These gradients generate a horizontal flexoelectricity that forces the spontaneous polarization to rotate away from the normal. Polar rotations are a characteristic of compositionally engineered morphotropic phase boundary ferroelectrics with high piezoelectricity; flexoelectricity provides an alternative route for generating such rotations in standard ferroelectrics using purely physical means.

Detailed analysis of transport, magnetism, and x-ray absorption spectroscopy measurements on ultrathin ${\text{La}}_{0.7}{\text{Sr}}_{0.3}{\text{MnO}}_{3}$ films with thicknesses from 3 to 70 unit cells resulted in the identification of a lower critical thickness for a nonmetallic nonferromagnetic layer at the interface with the ${\text{SrTiO}}_{3}$ (001) substrate of only three unit cells $(\ensuremath{\sim}12\text{ }\text{\AA{}})$. Furthermore, linear-dichroism measurements demonstrate the presence of a preferred $({x}^{2}\text{\ensuremath{-}}{y}^{2})$ in-plane orbital ordering for all layer thicknesses without any orbital reconstruction at the interface. A crucial requirement for the accurate study of these ultrathin films is a controlled growth process, offering the coexistence of layer-by-layer growth and bulklike magnetic/transport properties.

We present a study of the lattice response to the compressive and tensile biaxial stress in La${}_{0.67}$Sr${}_{0.33}$MnO${}_{3}$ (LSMO) and SrRuO${}_{3}$ (SRO) thin films grown on a variety of single-crystal substrates: SrTiO${}_{3}$, DyScO${}_{3}$, NdGaO${}_{3}$, and (La,Sr)(Al,Ta)O${}_{3}$. The results show that, in thin films under misfit strain, both SRO and LSMO lattices, which in bulk form have orthorhombic (SRO) and rhombohedral (LSMO) structures, assume unit cells that are monoclinic under compressive stress and tetragonal under tensile stress. The applied stress effectively modifies the $B$O${}_{6}$ octahedra rotations, whose degree and direction can be controlled by the magnitude and sign of the misfit strain. Such lattice distortions change the $B$-O-$B$ bond angles and therefore are expected to affect magnetic and electronic properties of the $\mathit{AB}$O${}_{3}$ perovskites.

Controlled in-plane rotation of the magnetic easy axis in manganite heterostructures by tailoring the interface oxygen network could allow the development of correlated oxide-based magnetic tunnelling junctions with non-collinear magnetization, with possible practical applications as miniaturized high-switching-speed magnetic random access memory (MRAM) devices. Here, we demonstrate how to manipulate magnetic and electronic anisotropic properties in manganite heterostructures by engineering the oxygen network on the unit-cell level. The strong oxygen octahedral coupling is found to transfer the octahedral rotation, present in the NdGaO3 (NGO) substrate, to the La2/3Sr1/3MnO3 (LSMO) film in the interface region. This causes an unexpected realignment of the magnetic easy axis along the short axis of the LSMO unit cell as well as the presence of a giant anisotropic transport in these ultrathin LSMO films. As a result we possess control of the lateral magnetic and electronic anisotropies by atomic-scale design of the oxygen octahedral rotation. Strong oxygen octahedral coupling is found to transfer the octahedral rotation between NdGaO3 and La2/3Sr1/3MnO3, allowing manipulation of the heterostructures’ magnetic and electronic anisotropic properties by engineering the oxygen network.

The conductance confined at the interface of complex oxide heterostructures provides new opportunities to explore nanoelectronic as well as nanoionic devices. Herein we show that metallic interfaces can be realized in SrTiO3-based heterostructures with various insulating overlayers of amorphous LaAlO3, SrTiO3 and yttria-stabilized zirconia films. On the other hand, samples of amorphous La7/8Sr1/8MnO3 films on SrTiO3 substrates remain insulating. The interfacial conductivity results from the formation of oxygen vacancies near the interface, suggesting that the redox reactions on the surface of SrTiO3 substrates play an important role.

Abstract A large variety of transport properties have been observed at the interface between the insulating oxides SrTiO 3 and LaAlO 3 such as insulation, 2D interface metallicity, 3D bulk metallicity, magnetic scattering, and superconductivity. The relation between the structure and the properties of the SrTiO 3 /LaAlO 3 interface can be explained in a meaningful way by taking into account the relative contribution of three structural aspects: oxygen vacancies, structural deformations (including cation disorder), and electronic interface reconstruction. The emerging phase diagram is much richer than for related bulk oxides due to the occurrence of interface electronic reconstruction. The observation of this interface phenomenon is a display of recent advances in thin film deposition and characterization techniques, and provides an extension to the range of exceptional electronic properties of complex oxides.