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.

Abstract Solution-processed planar perovskite devices are highly desirable in a wide variety of optoelectronic applications; however, they are prone to hysteresis and current instabilities. Here we report the first perovskite–PCBM hybrid solid with significantly reduced hysteresis and recombination loss achieved in a single step. This new material displays an efficient electrically coupled microstructure: PCBM is homogeneously distributed throughout the film at perovskite grain boundaries. The PCBM passivates the key PbI 3 − antisite defects during the perovskite self-assembly, as revealed by theory and experiment. Photoluminescence transient spectroscopy proves that the PCBM phase promotes electron extraction. We showcase this mixed material in planar solar cells that feature low hysteresis and enhanced photovoltage. Using conductive AFM studies, we reveal the memristive properties of perovskite films. We close by positing that PCBM, by tying up both halide-rich antisites and unincorporated halides, reduces electric field-induced anion migration that may give rise to hysteresis and unstable diode behaviour.

Ferroelectric Patterning with High Fields Ferroelectric oxides have a net polarization that can switch direction upon application of a sufficiently high electric field. In principle, a ferroelectric thin film should be able to act as a polar switch—tunneling an electron through the film would effectively switch on or off depending on the direction of the polarization. In practice, the length scale needed for a sufficiently small tunneling barrier is nearly the same as the scale at which films no longer support ferroelectricity. Maksymovych et al. (p. 1421 ) now show that the tip of an atomic force microscope can be used to pattern polarization domains in a thin film of lead zirconate titanate in high electric fields similar to those for field emission tips.

Microscopic evidence for Au-adatom-induced self-assembly of alkanethiolate species on the Au(111) surface is presented. Based on STM measurements and density-functional theory calculations, a new model for the low-coverage self-assembled monolayer of alkanethiolate on the Au(111) surface is developed, which involves the adsorbate complexes incorporating Au adatoms. It is also concluded that the Au(111) herringbone reconstruction is lifted by the alkanethiolate self-assembly because the reconstructed surface layer provides reactive Au adatoms that drive self-assembly.

The transport physics of domain wall conductivity in La-doped bismuth ferrite (BiFeO3) has been probed using variable temperature conducting atomic force microscopy and piezoresponse force microscopy in samples with arrays of domain walls in the as-grown state. Nanoscale current measurements are investigated as a function of bias and temperature and are shown to be consistent with distinct electronic properties at the domain walls leading to changes in the observed local conductivity. Our observation is well described within a band picture of the observed electronic conduction. Finally, we demonstrate an additional degree of control of the wall conductivity through chemical doping with oxygen vacancies, thus influencing the local conductive state.

We explore ferroelectric properties of cleaved 2-D flakes of copper indium thiophosphate, CuInP2S6 (CITP), and probe size effects along with limits of ferroelectric phase stability, by ambient and ultra high vacuum scanning probe microscopy. CITP belongs to the only material family known to display ferroelectric polarization in a van der Waals, layered crystal at room temperature and above. Our measurements directly reveal stable, ferroelectric polarization as evidenced by domain structures, switchable polarization, and hysteresis loops. We found that at room temperature the domain structure of flakes thicker than 100 nm is similar to the cleaved bulk surfaces, whereas below 50 nm polarization disappears. We ascribe this behavior to a well-known instability of polarization due to depolarization field. Furthermore, polarization switching at high bias is also associated with ionic mobility, as evidenced both by macroscopic measurements and by formation of surface damage under the tip at a bias of 4 V—likely due to copper reduction. Mobile Cu ions may therefore also contribute to internal screening mechanisms. The existence of stable polarization in a van-der-Waals crystal naturally points toward new strategies for ultimate scaling of polar materials, quasi-2D, and single-layer materials with advanced and nonlinear dielectric properties that are presently not found in any members of the growing “graphene family”.

Topological defects in ferroic materials are attracting much attention both as a playground of unique physical phenomena and for potential applications in reconfigurable electronic devices. Here, we explore electronic transport at artificially created ferroelectric vortices in BiFeO3 thin films. The creation of one-dimensional conductive channels activated at voltages as low as 1 V is demonstrated. We study the electronic as well as the static and dynamic polarization structure of several topological defects using a combination of first-principles and phase-field modelling. The modelling predicts that the core structure can undergo a reversible transformation into a metastable twist structure, extending charged domain walls segments through the film thickness. The vortex core is therefore a dynamic conductor controlled by the coupled response of polarization and electron–mobile-vacancy subsystems with external bias. This controlled creation of conductive one-dimensional channels suggests a pathway for the design and implementation of integrated oxide electronic devices based on domain patterning. The controlled creation of one-dimensional conductive channels at the cores of topological defects in the multiferroic material BiFeO3 demonstrates that such defects can drive metal–insulator phase transitions, and might provide a route towards high-density information storage.

Ferroelectric materials have remained one of the major focal points of condensed matter physics and materials science for over 50 years. In the last 20 years, the development of voltage-modulated scanning probe microscopy techniques, exemplified by Piezoresponse force microscopy (PFM) and associated time- and voltage spectroscopies, opened a pathway to explore these materials on a single-digit nanometer level. Consequently, domain structures and walls and polarization dynamics can now be imaged in real space. More generally, PFM has allowed studying electromechanical coupling in a broad variety of materials ranging from ionics to biological systems. It can also be anticipated that the recent Nobel prize [“The Nobel Prize in Chemistry 2016,” http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2016/ (Nobel Media, 2016)] in molecular electromechanical machines will result in rapid growth in interest in PFM as a method to probe their behavior on single device and device assembly levels. However, the broad introduction of PFM also resulted in a growing number of reports on the nearly ubiquitous presence of ferroelectric-like phenomena including remnant polar states and electromechanical hysteresis loops in materials which are non-ferroelectric in the bulk or in cases where size effects are expected to suppress ferroelectricity. While in certain cases plausible physical mechanisms can be suggested, there is remarkable similarity in observed behaviors, irrespective of the materials system. In this review, we summarize the basic principles of PFM, briefly discuss the features of ferroelectric surfaces salient to PFM imaging and spectroscopy, and summarize existing reports on ferroelectric-like responses in non-classical ferroelectric materials. We further discuss possible mechanisms behind observed behaviors and possible experimental strategies for their identification.