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.

We report on the coupling between ferroelectric and magnetic order parameters in a nanostructured BaTiO3-CoFe2O4 ferroelectromagnet. This facilitates the interconversion of energies stored in electric and magnetic fields and plays an important role in many devices, including transducers, field sensors, etc. Such nanostructures were deposited on single-crystal SrTiO3 (001) substrates by pulsed laser deposition from a single Ba-Ti-Co-Fe-oxide target. The films are epitaxial in-plane as well as out-of-plane with self-assembled hexagonal arrays of CoFe2O4 nanopillars embedded in a BaTiO3 matrix. The CoFe2O4 nanopillars have uniform size and average spacing of 20 to 30 nanometers. Temperature-dependent magnetic measurements illustrate the coupling between the two order parameters, which is manifested as a change in magnetization at the ferroelectric Curie temperature. Thermodynamic analyses show that the magnetoelectric coupling in such a nanostructure can be understood on the basis of the strong elastic interactions between the two phases.

Occurrence of room temperature ferromagnetism is demonstrated in pulsed laser deposited thin films of Sn1-xCoxO2-d (x<0.3). Interestingly, films of Sn0.95Co0.05O2-d grown on R-plane sapphire not only exhibit ferromagnetism with a Curie temperature close to 650 K, but also a giant magnetic moment of about 7 Bohr-Magneton/Co, not yet reported in any diluted magnetic semiconductor system. The films are semiconducting and optically highly transparent.

Functional microporous conducting carbon with a high surface area of about 1230 m2 g−1 is synthesized by single-step pyrolysis of dead plant leaves (dry waste, ground powder) without any activation and studied for supercapacitor application. We suggest that the activation is provided by the natural constituents in the leaves composed of soft organics and metals. Although the detailed study performed and reported here is on dead Neem leaves (Azadirachta indica), the process is clearly generic and applicable to most forms of dead leaves. Indeed we have examined the case of dead Ashoka leaves as well. The comparison between the Neem and Ashoka leaves brings out the importance of the constitution and composition of the bio-source in the nature of carbon formed and its properties. We also discuss and compare the cases of pyrolysis of green leaves as well as un-ground dead leaves with that of ground dead leaf powder studied in full detail. The concurrent high conductivity and microporosity realized in our carbonaceous materials are key to the high energy supercapacitor application. Indeed, our synthesized functional carbon exhibits a very high specific capacitance of 400 F g−1 and an energy density of 55 W h kg−1 at a current density of 0.5 A g−1 in aqueous 1 M H2SO4. The areal capacitance value of the carbon derived from dead (Neem) plant leaves (CDDPL) is also significantly high (32 μF cm−2). In an organic electrolyte the material shows a specific capacitance of 88 F g−1 at a current density of 2 A g−1.

2D/2D interface heterostructures of g-C 3 N 4 and NiAl-LDH are synthesized utilizing strong electrostatic interactions between positively charged 2D NiAl-LDH sheets and negatively charged 2D g-C 3 N 4 nanosheets.This new 2D/2D interface heterojunction showed remarkable performance for photocatalytic CO 2 reduction to produce renewable fuels such as CO and H 2 under visible-light irradiation, far superior to that of either single phase g-C 3 N 4 or NiAl-LDH nanosheets.The enhancement of photocatalytic activity could be attributed mainly to the excellent interfacial contact at the heterojunction of g-C 3 N 4 /NiAl-LDH, which subsequently results in suppressed recombination, and improved transfer and separation of photogenerated charge carriers.In addition, the optimal g-C 3 N 4 /NiAl-LDH nanocomposite possessed high photostability after successive experimental runs with no obvious change in the production of CO from CO 2 reduction.Our findings regarding the design, fabrication and photophysical properties of 2D/2D heterostructure systems may find use in other photocatalytic applications including H 2 production and water purification.

The peroxide gel route is employed to synthesize N-doped TiO2 nanoparticles (NP) at low temperature using titanium tetraisopropoxide, ethylmethylamine, and hydrogen peroxide as precursors. Structural studies show anatase phase in the undoped titania NPs as well as at 5 at. % N-doped titania NPs, although with a degree of matrix disorder in the latter case. The annealing of N-doped titania NPs at different temperatures shows that above 400 °C nitrogen escapes the O−Ti−O matrix and at 500 °C the sample becomes crystalline. Transmission electron microscopy reveals that the particle size is in the range of 20−30 nm for the undoped TiO2 but only 5−10 nm for N-doped TiO2. At higher nitrogen concentration (10 at. %) bubble-like agglomerates form. FTIR and photoluminescence quenching also confirm the incorporation of nitrogen in anatase TiO2. Optical properties reveal an extended tailing of the absorption edge toward the visible region upon nitrogen doping. X-ray photoelectron spectroscopy is used to examine the electronic state of doped nitrogen and the associated possible electronic modification of the TiO2 matrix. Under visible light irradiation the undoped TiO2 NPs do not show any significant photocatalytic activity, as expected; however, the 5 at. % N-doped TiO2 NPs show excellent activity.

Over the past decade intensive research efforts have been carried out by researchers around the globe on exploring the effects of dilute doping of magnetic impurities on the physical properties of functional non-magnetic metal oxides such as TiO(2) and ZnO. This effort is aimed at inducing spin functionality (magnetism, spin polarization) and thereby novel magneto-transport and magneto-optic effects in such oxides. After an early excitement and in spite of some very promising results reported in the literature, this field of diluted magnetic semiconducting oxides (DMSO) has continued to be dogged by concerns regarding uniformity of dopant incorporation, the possibilities of secondary ferromagnetic phases, and contamination issues. The rather sensitive dependence of magnetism of the DMSO systems on growth methods and conditions has led to interesting questions regarding the specific role played by defects in the attendant phenomena. Indeed, it has also led to the rapid re-emergence of the field of defect ferromagnetism. Many theoretical studies have contributed to the analysis of diverse experimental observations in this field and in some cases to the predictions of new systems and scenarios. In this review an attempt is made to capture the scope and spirit of this effort highlighting the successes, concerns, and questions.

We report a detailed magnetic and structural analysis of highly reduced Co doped rutile TiO2 films displaying an anomalous Hall effect (AHE). The temperature and field dependence of magnetization, and transmission electron microscopy clearly establish the presence of nano-sized superparamagnetic cobalt clusters of 8-10 nm size in the films at the interface. The co-occurrence of superparamagnetism and AHE raises questions regarding the use of the AHE as a test of the intrinsic nature of ferromagnetism in diluted magnetic semiconductors.

We report non-templated synthesis of interconnected microporous carbon (IMPC) sheets having beehive morphology by direct pyrolysis of poly(acrylamide-co-acrylic acid) potassium salt in inert atmosphere without any activation. The presence of the alkali metal in the selected polymer precursor results in a high specific surface area of 1327 m2 g−1. Importantly, 80% of the pore volume is contributed by micropores with pore size ranging from 1–2 nm which is ideal for use as an electrode for supercapacitors. Whereas the rest of the surface area was contributed by a small fraction of mesopores and macropores due to the interconnected structure. The presence of three different types of pores make the material ideal for supercapacitor electrodes. IMPC was tested as an electrode in both aqueous and non-aqueous supercapacitors. All the aqueous measurements were done in 1 M H2SO4 solution with a potential window 1 V. A specific capacitance of 258 F g−1 was realized at a constant charge–discharge current of 0.5 A g−1 and it maintained at a value of 150 F g−1 at 30 A g−1. A long cycle stability of 90% capacitance retention was observed after 5000 charge–discharge cycles at a current density of 2 A g−1. At the highest power density 13 600 W kg−1 the energy density was found to be 3.1 W h kg−1. Non aqueous performance was tested in the presence of 1 M LiPF6 in ethylene carbonate–di-methyl carbonate with 5 mg active material loading. A specific capacitance of 138 F g−1 was obtained at a current density of 0.25 A g−1 and it retained at a value of 100 F g−1 at 10 A g−1. The material can deliver an energy density of 31 W h kg−1 at its highest power density of 11 000 W kg−1 in a two electrode system based on active material loading.