Ferromagnetism is usually considered to be incompatible with conventional superconductivity, as it destroys the singlet correlations responsible for the pairing interaction. Superconductivity and ferromagnetism are known to coexist in only a few bulk rare-earth materials. Here we report evidence for their coexistence in a two-dimensional system: the interface between two bulk insulators, LaAlO(3) (LAO) and SrTiO(3) (STO), a system that has been studied intensively recently. Magnetoresistance, Hall, and electric-field dependence measurements suggest that there are two distinct bands of charge carriers that contribute to the interface conductivity. The sensitivity of properties of the interface to an electric field makes this a fascinating system for the study of the interplay between superconductivity and magnetism.

Microelectromechanical systems (MEMS) incorporating active piezoelectric layers offer integrated actuation, sensing, and transduction. The broad implementation of such active MEMS has long been constrained by the inability to integrate materials with giant piezoelectric response, such as Pb(Mg(1/3)Nb(2/3))O(3)-PbTiO(3) (PMN-PT). We synthesized high-quality PMN-PT epitaxial thin films on vicinal (001) Si wafers with the use of an epitaxial (001) SrTiO(3) template layer with superior piezoelectric coefficients (e(31,f) = -27 ± 3 coulombs per square meter) and figures of merit for piezoelectric energy-harvesting systems. We have incorporated these heterostructures into microcantilevers that are actuated with extremely low drive voltage due to thin-film piezoelectric properties that rival bulk PMN-PT single crystals. These epitaxial heterostructures exhibit very large electromechanical coupling for ultrasound medical imaging, microfluidic control, mechanical sensing, and energy harvesting.

We investigated a switchable ferroelectric diode effect and its physical mechanism in Pt/BiFeO${}_{3}$/SrRuO${}_{3}$ thin-film capacitors. Our results of electrical measurements support that, near the Pt/BiFeO${}_{3}$ interface of as-grown samples, a defective layer (possibly an oxygen-vacancy-rich layer) becomes formed and disturbs carrier injection. We therefore used an electrical training process to obtain ferroelectric control of the diode polarity where, by changing the polarization direction using an external bias, we could switch the transport characteristics between forward and reverse diodes. Our system is characterized with a rectangular polarization-hysteresis loop with which we confirmed that the diode-polarity switching occurred at the ferroelectric coercive voltage. Moreover, we observed a simultaneous switching of the diode polarity and the associated photovoltaic response dependent on the ferroelectric domain configurations. Our detailed study suggests that the polarization charge can affect the Schottky barrier at the ferroelectric/metal interfaces, resulting in a modulation of the interfacial carrier injection. The amount of polarization-modulated carrier injection can affect the transition voltage value at which a space-charge-limited bulk current--voltage ($J$--$V$) behavior is changed from Ohmic (i.e., $J$ \ensuremath{\propto} $V$) to nonlinear (i.e., $J$ \ensuremath{\propto} ${V}^{n}$ with $n$ \ensuremath{\ge} 2). This combination of bulk conduction and polarization-modulated carrier injection explains the detailed physical mechanism underlying the switchable diode effect in ferroelectric capacitors.

Using a set of scanning probe microscopy techniques, we demonstrate the reproducible tunneling electroresistance effect on nanometer-thick epitaxial BaTiO3 single-crystalline thin films on SrRuO3 bottom electrodes. Correlation between ferroelectric and electronic transport properties is established by direct nanoscale visualization and control of polarization and tunneling current. The obtained results show a change in resistance by about 2 orders of magnitude upon polarization reversal on a lateral scale of 20 nm at room temperature. These results are promising for employing ferroelectric tunnel junctions in nonvolatile memory and logic devices.

Biaxial strain is known to induce ferroelectricity in thin films of nominally nonferroelectric materials such as ${\mathrm{SrTiO}}_{3}$. By a direct comparison of the strained and strain-free ${\mathrm{SrTiO}}_{3}$ films using dielectric, ferroelectric, Raman, nonlinear optical and nanoscale piezoelectric property measurements, we conclude that all ${\mathrm{SrTiO}}_{3}$ films and bulk crystals are relaxor ferroelectrics, and the role of strain is to stabilize longer-range correlation of preexisting nanopolar regions, likely originating from minute amounts of unintentional Sr deficiency in nominally stoichiometric samples. These findings highlight the sensitive role of stoichiometry when exploring strain and epitaxy-induced electronic phenomena in oxide films, heterostructures, and interfaces.

Recently a metallic state was discovered at the interface between insulating oxides, most notably LaAlO3 and SrTiO3. Properties of this two-dimensional electron gas (2DEG) have attracted significant interest due to its potential applications in nanoelectronics. Control over this carrier density and mobility of the 2DEG is essential for applications of these novel systems, and may be achieved by epitaxial strain. However, despite the rich nature of strain effects on oxide materials properties, such as ferroelectricity, magnetism, and superconductivity, the relationship between the strain and electrical properties of the 2DEG at the LaAlO3/SrTiO3 heterointerface remains largely unexplored. Here, we use different lattice constant single crystal substrates to produce LaAlO3/SrTiO3 interfaces with controlled levels of biaxial epitaxial strain. We have found that tensile strained SrTiO3 destroys the conducting 2DEG, while compressively strained SrTiO3 retains the 2DEG, but with a carrier concentration reduced in comparison to the unstrained LaAlO3/SrTiO3 interface. We have also found that the critical LaAlO3 overlayer thickness for 2DEG formation increases with SrTiO3 compressive strain. Our first-principles calculations suggest that a strain-induced electric polarization in the SrTiO3 layer is responsible for this behavior. It is directed away from the interface and hence creates a negative polarization charge opposing that of the polar LaAlO3 layer. This both increases the critical thickness of the LaAlO3 layer, and reduces carrier concentration above the critical thickness, in agreement with our experimental results. Our findings suggest that epitaxial strain can be used to tailor 2DEGs properties of the LaAlO3/SrTiO3 heterointerface.

The strength of electronic correlations dictates the transport properties of oxide interfaces.