Ferroelectric oxide materials have offered a tantalizing potential for applications since the discovery of ferroelectric perovskites more than 50 years ago. Their switchable electric polarization is ideal for use in devices for memory storage and integrated microelectronics, but progress has long been hampered by difficulties in materials processing. Recent breakthroughs in the synthesis of complex oxides have brought the field to an entirely new level, in which complex artificial oxide structures can be realized with an atomic-level precision comparable to that well known for semiconductor heterostructures. Not only can the necessary high-quality ferroelectric films now be grown for new device capabilities, but ferroelectrics can be combined with other functional oxides, such as high-temperature superconductors and magnetic oxides, to create multifunctional materials and devices. Moreover, the shrinking of the relevant lengths to the nanoscale produces new physical phenomena. Real-space characterization and manipulation of the structure and properties at atomic scales involves new kinds of local probes and a key role for first-principles theory.

Abstract The study of magnetoelectric materials has recently received renewed interest, in large part stimulated by breakthroughs in the controlled growth of complex materials and by the search for novel materials with functionalities suitable for next generation electronic devices. In this Progress Report, we present an overview of recent developments in the field, with emphasis on magnetoelectric coupling effects in complex oxide multiferroic composite materials.

Application of the field-effect transistor principle to novel materials to achieve electrostatic doping is a relatively new research area. It may provide the opportunity to bring about modifications of the electronic and magnetic properties of materials through controlled and reversible changes of the carrier concentration without modifying the level of disorder, as occurs when chemical composition is altered. As well as providing a basis for new devices, electrostatic doping can in principle serve as a tool for studying quantum critical behavior, by permitting the ground state of a system to be tuned in a controlled fashion. In this paper progress in electrostatic doping of a number of materials systems is reviewed. These include structures containing complex oxides, such as cuprate superconductors and colossal magnetoresistive compounds, organic semiconductors, in the form of both single crystals and thin films, inorganic layered compounds, single molecules, and magnetic semiconductors. Recent progress in the field is discussed, including enabling experiments and technologies, open scientific issues and challenges, and future research opportunities. For many of the materials considered, some of the results can be anticipated by combining knowledge of macroscopic or bulk properties and the understanding of the field-effect configuration developed during the course of the evolution of conventional microelectronics. However, because electrostatic doping is an interfacial phenomenon, which is largely an unexplored field, real progress will depend on the development of a better understanding of lattice distortion and charge transfer at interfaces in these systems.

We report on the investigation of ferroelectricity in thin tetragonal single-crystalline perovskite films of Pb(Zr0.2Ti0.8)O3 grown by off-axis rf magnetron sputtering. The local ferroelectric properties of atomically smooth films, with thicknesses ranging from a few unit cells to 800 Å, were measured using a combination of electric force microscopy and piezoelectric microscopy. The time dependence of the measured signals reveals a stable ferroelectric polarization in films down to thicknesses of 40 Å.

Direct, charge-mediated magnetoelectric coupling is demonstrated in a heterogeneous multiferroic that takes advantage of the sensitivity of a strongly correlated magnetic system to competing electronic ground states. Using magneto-optic Kerr effect magnetometry, we observe large magnetoelectric coupling in ferroelectric/lanthanum manganite heterostructures, resulting in control of the magnetic state by means of an applied electric field, as illustrated in the figure.

The electronic valence state of Mn in Pb(Zr0.2Ti0.8)O{3}/La{0.8}Sr{0.2}MnO{3} multiferroic heterostructures is probed by near edge x-ray absorption spectroscopy as a function of the ferroelectric polarization. We observe a temperature independent shift in the absorption edge of Mn associated with a change in valency induced by charge carrier modulation in the La0.8Sr0.2MnO3, demonstrating the electronic origin of the magnetoelectric effect. Spectroscopic, magnetic, and electric characterization shows that the large magnetoelectric response originates from a modified interfacial spin configuration, opening a new pathway to the electronic control of spin in complex oxide materials.

Abstract The non‐volatile polarization of a ferroelectric is a promising candidate for digital memory applications. Ferroelectric capacitors have been successfully integrated with silicon electronics, where the polarization state is read out by a device based on a field effect transistor configuration. Coupling the ferroelectric polarization directly to the channel of a field effect transistor is a long‐standing research topic that has been difficult to realize due to the properties of the ferroelectric and the nature of the interface between the ferroelectric and the conducting channel. Here, we report on the fabrication and characterization of two promising capacitor‐less memory architectures.

The integration of complex oxides on silicon presents opportunities to extend and enhance silicon technology with novel electronic, magnetic, and photonic properties. Among these materials, barium titanate (BaTiO3) is a particularly strong ferroelectric perovskite oxide with attractive dielectric and electro-optic properties. Here we demonstrate nanophotonic circuits incorporating ferroelectric BaTiO3 thin films on the ubiquitous silicon-on-insulator (SOI) platform. We grow epitaxial, single-crystalline BaTiO3 directly on SOI and engineer integrated waveguide structures that simultaneously confine light and an RF electric field in the BaTiO3 layer. Using on-chip photonic interferometers, we extract a large effective Pockels coefficient of 213 ± 49 pm/V, a value more than six times larger than found in commercial optical modulators based on lithium niobate. The monolithically integrated BaTiO3 optical modulators show modulation bandwidth in the gigahertz regime, which is promising for broadband applications.

$1T$-transition metal dichalcogenides (TMDs) have been an exciting platform for exploring the intertwinement of charge density waves and strong correlation phenomena. While the David star structure has been conventionally considered as the underlying charge order in the literature, recent scanning tunneling probe experiments on several monolayer $1T$-TMD materials have motivated a new, alternative structure, namely, the anion-centered David star structure. In this Letter, we show that this novel anion-centered David star structure manifestly breaks inversion symmetry, resulting in flat bands with pronounced Rashba spin-orbit couplings. These distinctive features unlock novel possibilities and functionalities for $1T$-TMDs, including the giant spin Hall effect, the emergence of Chern bands, and spin liquid that spontaneously breaks crystalline rotational symmetry. Our findings establish promising avenues for exploring emerging quantum phenomena of monolayer $1T$-TMDs with this novel noncentrosymmetric structure.