Abstract
Ferroelectrics and related materials (e.g., non-traditional ferroelectrics such as relaxors) have long been used in a range of applications, but with the advent of new ways of modeling, synthesizing, and characterizing these materials, continued access to astonishing breakthroughs in our fundamental understanding come each year. While we still rely on these materials in a range of applications, we continue to re-write what is possible to be done with them. In turn, assumptions that have underpinned the use and design of certain materials are progressively being revisited. This perspective aims to provide an overview of the field of ferroelectric/relaxor/polar-oxide thin films in recent years, with an emphasis on emergent structure and function enabled by advanced synthesis, processing, and computational modeling.
Similar content being viewed by others
References
J. Hlinka, J. Adv. Dielect. 02, 1241006 (2012).
H. Takenaka, I. Grinberg, S. Liu, and A. M. Rappe, Nature 546, 391 (2017).
M. J. Krogstad, P. M. Gehring, S. Rosenkranz, R. Osborn, F. Ye, Y. Liu, J. P. C. Ruff, W. Chen, J. M. Wozniak, H. Luo, O. Chmaissem, Z.-G. Ye, and D. Phelan, Nat. Mater. 17, 718 (2018).
J. Kim, H. Takenaka, Y. Qi, A. R. Damodaran, A. Fernandez, R. Gao, M. R. McCarter, S. Saremi, L. Chung, A. M. Rappe, and L. W. Martin, Adv. Mater. 31, 1901060 (2019).
J. Carreaud, P. Gemeiner, J. M. Kiat, B. Dkhil, C. Bogicevic, T. Rojac, and B. Malic, Phys. Rev. B 72, 174115 (2005).
A. Fernandez, J. Kim, D. Meyers, S. Saremi, and L. W. Martin, Phys. Rev. B 101, 094102 (2020).
F. Li, M. J. Cabral, B. Xu, Z. Cheng, E. C. Dickey, J. M. LeBeau, J. Wang, J. Luo, S. Taylor, W. Hackenberger, L. Bellaiche, Z. Xu, L.-Q. Chen, T. R. Shrout, and S. Zhang, Science 364, 264 (2019).
A. Kumar, R. Dhall, and J. M. LeBeau, Microsc. Microanal. 25, 1838 (2019).
F. Li, D. Lin, Z. Chen, Z. Cheng, J. Wang, C. Li, Z. Xu, Q. Huang, X. Liao, L.-Q. Chen, T. R. Shrout, and S. Zhang, Nat. Mater. 17, 349 (2018).
C. Qiu, B. Wang, N. Zhang, S. Zhang, J. Liu, D. Walker, Y. Wang, H. Tian, T. R. Shrout, Z. Xu, L.-Q. Chen, and F. Li, Nature 577, 350 (2020).
S. Pandya, J. Wilbur, J. Kim, R. Gao, A. Dasgupta, C. Dames, and L. W. Martin, Nat. Mater. 17, 432 (2018).
S. Pandya, G. Velarde, L. Zhang, J. D. Wilbur, A. Smith, B. Hanrahan, C. Dames, and L. W. Martin, NPG Asia Mater. 11, 26 (2019).
H. Pan, F. Li, Y. Liu, Q. Zhang, M. Wang, S. Lan, Y. Zheng, J. Ma, L. Gu, Y. Shen, P. Yu, S. Zhang, L.-Q. Chen, Y.-H. Lin, and C.-W. Nan, Science 365, 578 (2019).
J. Kim, S. Saremi, M. Acharya, G. Velarde, E. Parsonnet, P. Donahue, A. Qualls, D. Garcia, and L. Martin, Science 369, 81 (2020).
K. Alberi, M. B. Nardelli, A. Zakutayev, L. Mitas, S. Curtarolo, A. Jain, M. Fornari, N. Marzari, I. Takeuchi, M. L. Green, M. Kanatzidis, M. F. Toney, S. Butenko, B. Meredig, S. Lany, U. Kattner, A. Davydov, E. S. Toberer, V. Stevanovic, A. Walsh, N.-G. Park, A. Aspuru-Guzik, D. P. Tabor, J. Nelson, J. Murphy, A. Setlur, J. Gregoire, H. Li, R. Xiao, A. Ludwig, L. W. Martin, A. M. Rappe, S.-H. Wei, and J. Perkins, J. Phys. D: Appl. Phys. 52, 013001 (2019).
K. F. Garrity, Phys. Rev. B 97, 024115 (2018).
C. Capillas, E. S. Tasci, G. de la Flor, D. Orobengoa, J. M. Perez-Mato, and M. I. Aroyo, Zeitschrift Für Kristallographie 226, 186 (2011).
J. W. Bennett and K. M. Rabe, J. Sol. St. Chem. 195, 21 (2012).
Ph. Ghosez, X. Gonze, and J.- P. Michenaud, GFER 186, 73 (1996).
R. E. Cohen, Nature 358, 136 (1992).
J. T. Heron, D. G. Schlom, and R. Ramesh, Appl. Phys. Rev. 1, 021303 (2014).
H. L. B. Boström, M. S. Senn, and A. L. Goodwin, Nat. Commun. 9, 2380 (2018).
D. M. Hatch and H. T. Stokes, J. Appl. Crystallogr. 36, 951 (2003).
A. Stroppa, P. Barone, P. Jain, J. M. Perez-Mato, and S. Picozzi, Adv. Mater. 25, 2284 (2013).
B. B. Van Aken, T. T. M. Palstra, A. Filippetti, and N. A. Spaldin, Nat. Mater. 3, 164 (2004).
P. Barrozo, D. R. Småbråten, Y. Tang, B. Prasad, S. Saremi, R. Ozgur, V. Thakare, R. A. Steinhardt, M. E. Holtz, V. A. Stoica, L. W. Martin, D. G. Schlom, S. M. Selbach, and R. Ramesh, Adv. Mater. 2000508 (2020).
A. T. Mulder, N. A. Benedek, J. M. Rondinelli, and C. J. Fennie, Adv. Funct. Mater. n/a (2013).
N. A. Benedek, Inorg. Chem. 53, 3769 (2014).
E. Bousquet, M. Dawber, N. Stucki, C. Lichtensteiger, P. Hermet, S. Gariglio, J.-M. Triscone, and P. Ghosez, Nature 452, 732 (2008).
S. Tinte, K. M. Rabe, and D. Vanderbilt, Phys. Rev. B 68, 144105 (2003).
J. Wang, B. Wylie-van Eerd, T. Sluka, C. Sandu, M. Cantoni, X.-K. Wei, A. Kvasov, L. J. McGilly, P. Gemeiner, B. Dkhil, A. Tagantsev, J. Trodahl, and N. Setter, Nat. Mater. 14, 985 (2015).
Y. Shi, Y. Guo, X. Wang, A. J. Princep, D. Khalyavin, P. Manuel, Y. Michiue, A. Sato, K. Tsuda, S. Yu, M. Arai, Y. Shirako, M. Akaogi, N. Wang, K. Yamaura, and A. T. Boothroyd, Nat. Mater. 12, 1024 (2013).
N. A. Benedek and T. Birol, J. Mater. Chem. C 4, 4000 (2016).
Y. Cao, Z. Wang, S. Y. Park, Y. Yuan, X. Liu, S. M. Nikitin, H. Akamatsu, M. Kareev, S. Middey, D. Meyers, P. Thompson, P. J. Ryan, P. Shafer, A. N’Diaye, E. Arenholz, V. Gopalan, Y. Zhu, K. M. Rabe, and J. Chakhalian, Nat. Commun. 9, 1547 (2018).
A. Filippetti, V. Fiorentini, F. Ricci, P. Delugas, and J. Íñiguez, Nat. Commun. 7, 11211 (2016).
D. Puggioni and J. M. Rondinelli, Nat. Commun. 5, 3432 (2014).
I. A. Sergienko, V. Keppens, M. McGuire, R. Jin, J. He, S. H. Curnoe, B. C. Sales, P. Blaha, D. J. Singh, K. Schwarz, and D. Mandrus, Phys. Rev. Lett. 92, 065501 (2004).
T. H. Kim, D. Puggioni, Y. Yuan, L. Xie, H. Zhou, N. Campbell, P. J. Ryan, Y. Choi, J.-W. Kim, J. R. Patzner, S. Ryu, J. P. Podkaminer, J. Irwin, Y. Ma, C. J. Fennie, M. S. Rzchowski, X. Q. Pan, V. Gopalan, J. M. Rondinelli, and C. B. Eom, Nature 533, 68 (2016).
V. M. Edelstein, Phys. Rev. Lett. 75, 2004 (1995).
C. Shekhar, A. K. Nayak, Y. Sun, M. Schmidt, M. Nicklas, I. Leermakers, U. Zeitler, Y. Skourski, J. Wosnitza, Z. Liu, Y. Chen, W. Schnelle, H. Borrmann, Y. Grin, C. Felser, and B. Yan, Nat. Phys. 11, 645 (2015).
L. L. Tao and E. Y. Tsymbal, Nat. Commun. 9, 2763 (2018).
J. He, D. Di Sante, R. Li, X.-Q. Chen, J. M. Rondinelli, and C. Franchini, Nat. Commun. 9, 492 (2018).
S. Liu, Y. Kim, L. Z. Tan, and A. M. Rappe, Nano Lett. 16, 1663 (2016).
B. Yan, M. Jansen, and C. Felser, Nat. Phys. 9, 709 (2013).
S. F. Weber, S. M. Griffin, and J. B. Neaton, Phys. Rev. Materials 3, 064206 (2019).
A. Zunger, Nature 566, 447 (2019).
W. Sun, S. T. Dacek, S. P. Ong, G. Hautier, A. Jain, W. D. Richards, A. C. Gamst, K. A. Persson, and G. Ceder, Sci. Adv. 2, e1600225 (2016).
Y. L. Tang, Y. L. Zhu, X. L. Ma, A. Y. Borisevich, A. N. Morozovska, E. A. Eliseev, W. Y. Wang, Y. J. Wang, Y. B. Xu, Z. D. Zhang, and S. J. Pennycook, Science 348, 547 (2015).
A. K. Yadav, C. T. Nelson, S. L. Hsu, Z. Hong, J. D. Clarkson, C. M. Schlepütz, A. R. Damodaran, P. Shafer, E. Arenholz, L. R. Dedon, D. Chen, A. Vishwanath, A. M. Minor, L. Q. Chen, J. F. Scott, L. W. Martin, and R. Ramesh, Nature 530, 198 (2016).
A. R. Damodaran, J. D. Clarkson, Z. Hong, H. Liu, A. K. Yadav, C. T. Nelson, S.-L. Hsu, M. R. McCarter, K.-D. Park, V. Kravtsov, A. Farhan, Y. Dong, Z. Cai, H. Zhou, P. Aguado-Puente, P. García-Fernández, J. Íñiguez, J. Junquera, A. Scholl, M. B. Raschke, L.-Q. Chen, D. D. Fong, R. Ramesh, and L. W. Martin, Nat. Mater. 16, 1003 (2017).
Z. Hong, A. R. Damodaran, F. Xue, S.-L. Hsu, J. Britson, A. K. Yadav, C. T. Nelson, J.-J. Wang, J. F. Scott, L. W. Martin, R. Ramesh, and L.-Q. Chen, Nano Lett. 17, 2246 (2017).
S. Das, Y. L. Tang, Z. Hong, M. a. P. Gonçalves, M. R. McCarter, C. Klewe, K. X. Nguyen, F. Gómez-Ortiz, P. Shafer, E. Arenholz, V. A. Stoica, S.-L. Hsu, B. Wang, C. Ophus, J. F. Liu, C. T. Nelson, S. Saremi, B. Prasad, A. B. Mei, D. G. Schlom, J. Íñiguez, P. García-Fernández, D. A. Muller, L. Q. Chen, J. Junquera, L. W. Martin, and R. Ramesh, Nature 568, 368 (2019).
A. K. Yadav, K. X. Nguyen, Z. Hong, P. García-Fernández, P. Aguado-Puente, C. T. Nelson, S. Das, B. Prasad, D. Kwon, S. Cheema, A. I. Khan, C. Hu, J. Íñiguez, J. Junquera, L.-Q. Chen, D. A. Muller, R. Ramesh, and S. Salahuddin, Nature 565, 468 (2019).
P. Zubko, J. C. Wojdeł, M. Hadjimichael, S. Fernandez-Pena, A. Sené, I. Luk’yanchuk, J.-M. Triscone, and J. Íñiguez, Nature 534, 524 (2016).
M. Hoffmann, F. P. G. Fengler, M. Herzig, T. Mittmann, B. Max, U. Schroeder, R. Negrea, P. Lucian, S. Slesazeck, and T. Mikolajick, Nature 565, 464 (2019).
G. Liu, Q. Zhang, H.-H. Huang, P. Munroe, V. Nagarajan, H. Simons, Z. Hong, and L.-Q. Chen, Adv. Mater. Interfaces 3, 1600444 (2016).
N. Sai, B. Meyer, and D. Vanderbilt, Phys. Rev. Lett. 84, 5636 (2000).
F. Xue, J. J. Wang, G. Sheng, E. Huang, Y. Cao, H. H. Huang, P. Munroe, R. Mahjoub, Y. L. Li, V. Nagarajan, and L. Q. Chen, Acta Mater. 61, 2909 (2013).
E. Lupi, A. Ghosh, S. Saremi, S. Hsu, S. Pandya, G. Velarde, A. Fernandez, R. Ramesh, and L. W. Martin, Adv. Electron. Mater. 6, 1901395 (2020).
S. Y. Park, K. M. Rabe, and J. B. Neaton, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 116, 23972 (2019).
G. Dearnaley, Nature 256, 701 (1975).
T. Shinada, S. Okamoto, T. Kobayashi, and I. Ohdomari, Nature 437, 1128 (2005).
S. Saremi, R. Xu, L. R. Dedon, J. A. Mundy, S. L. Hsu, Z. Chen, A. R. Damodaran, S. P. Chapman, J. T. Evans, and L. W. Martin, Adv. Mater. 28, 10750 (2016).
A. Herklotz, S. F. Rus, N. Balke, C. Rouleau, E. J. Guo, A. Huon, S. Kc, R. Roth, X. Yang, C. Vaswani, J. Wang, P. P. Orth, M. S. Scheurer, and T. Z. Ward, Nano Lett. 19, 1033 (2019).
L. J. McGilly, C. S. Sandu, L. Feigl, D. Damjanovic, and N. Setter, Adv. Funct. Mater. 27, (2017).
S. Saremi, R. Xu, F. I. Allen, J. Maher, J. C. Agar, R. Gao, P. Hosemann, and L. W. Martin, Phys. Rev. Mater. 2, 084414 (2018).
M. Konagai, M. Sugimoto, and K. Takahashi, J. Crystal Growth 45, 277 (1978).
S. R. Bakaul, C. R. Serrao, M. Lee, C. W. Yeung, A. Sarker, S.-L. Hsu, A. K. Yadav, L. Dedon, L. You, A. I. Khan, J. D. Clarkson, C. Hu, R. Ramesh, and S. Salahuddin, Nat. Commun. 7, 10547 (2016).
D. Lu, D. J. Baek, S. S. Hong, L. F. Kourkoutis, Y. Hikita, and H. Y. Hwang, Nat. Mater. 15, 1255 (2016).
D. Lu, S. Crossley, R. Xu, Y. Hikita, and H. Y. Hwang, Nano Lett. 19, 3999 (2019).
Z.-D. Luo, J. J. P. Peters, A. M. Sanchez, and M. Alexe, ACS Appl. Mater. Interfaces 11, 23313 (2019).
H. S. Kum, H. Lee, S. Kim, S. Lindemann, W. Kong, K. Qiao, P. Chen, J. Irwin, J. H. Lee, S. Xie, S. Subramanian, J. Shim, S. Bae, C. Choi, L. Ranno, S. Seo, S. Lee, J. Bauer, H. Li, K. Lee, J. A. Robinson, C. A. Ross, D. G. Schlom, M. S. Rzchowski, C.-B. Eom, and J. Kim, Nature 578, 75 (2020).
Y.-H. Chu, Npj Quantum Mater. 2, 67 (2017).
D. L. Ko, M. F. Tsai, J. W. Chen, P. W. Shao, Y. Z. Tan, J. J. Wang, S. Z. Ho, Y. H. Lai, Y. L. Chueh, Y. C. Chen, D. P. Tsai, L.-Q. Chen, and Y. H. Chu, Sci. Adv. 6, eaaz3180 (2020).
S. S. Hong, J. H. Yu, D. Lu, A. F. Marshall, Y. Hikita, Y. Cui, and H. Y. Hwang, Sci. Adv. 3, eaao5173 (2017).
D. Ji, S. Cai, T. R. Paudel, H. Sun, C. Zhang, L. Han, Y. Wei, Y. Zang, M. Gu, Y. Zhang, W. Gao, H. Huyan, W. Guo, D. Wu, Z. Gu, E. Y. Tsymbal, P. Wang, Y. Nie, and X. Pan, Nature 570, 87 (2019).
R. Xu, J. Huang, E. S. Barnard, S. S. Hong, P. Singh, E. K. Wong, T. Jansen, V. Harbola, J. Xiao, B. Y. Wang, S. Crossley, D. Lu, S. Liu, and H. Y. Hwang, Nat. Commun. 11, 3141 (2020).
D. Pesquera, E. Parsonnet, A. Qualls, R. Xu, A. Gubser, J. Kim, Y. Jiang, G. Velarde, Y.-L. Huang, H. Hwnag, R. Ramesh, and L. Martin, Submitted for Publication (2020).
S. H. Baek, J. Park, D. M. Kim, V. a. Aksyuk, R. R. Das, S. D. Bu, D. a. Felker, J. Lettieri, V. Vaithyanathan, S. S. N. Bharadwaja, N. Bassiri-Gharb, Y. B. Chen, H. P. Sun, C. M. Folkman, H. W. Jang, D. J. Kreft, S. K. Streiffer, R. Ramesh, X. Q. Pan, S. Trolier-McKinstry, D. G. Schlom, M. S. Rzchowski, R. H. Blick, and C. B. Eom, Science 334, 958 (2011).
U. K. Bhaskar, N. Banerjee, A. Abdollahi, E. Solanas, G. Rijnders, and G. Catalan, Nanoscale 8, 1293 (2016).
H. Elangovan, M. Barzilay, S. Seremi, N. Cohen, Y. Jiang, L. W. Martin, and Y. Ivry, ACS Nano 14, 5053 (2020).
G. Dong, S. Li, M. Yao, Z. Zhou, Y. Zhang, X. Han, Z. Luo, J. Yao, B. Peng, Z. Hu, H. Huang, T. Jia, J. Li, W. Ren, Z. Ye, X. Ding, J. Sun, C. Nan, L. Chen, J. Li, and M. Liu, Science 366, 475 (2019).
S. Pandya, J. D. Wilbur, B. Bhatia, A. R. Damodaran, C. Monachon, A. Dasgupta, W. P. King, C. Dames, and L. W. Martin, Phys. Rev. Appl. 7, 034025 (2017).
S. Pandya, G. A. Velarde, R. Gao, A. S. Everhardt, J. D. Wilbur, R. Xu, J. T. Maher, J. C. Agar, C. Dames, and L. W. Martin, Adv. Mater. 31, 1803312 (2019).
G. Velarde, S. Pandya, L. Zhang, D. Garcia, E. Lupi, R. Gao, J. D. Wilbur, C. Dames, and L. W. Martin, ACS Appl. Mater. Interfaces 11, 35146 (2019).
R. H. Dennard, F. H. Gaensslen, H.-N. Yu, V. L. Rideout, E. Bassous, and A. R. LeBlanc, IEEE J. Solid-State Circuits 9, 256 (1974).
M. Bohr, IEEE Solid-State Circuits Newsl. 12, 11 (2007).
R. Xu, R. Gao, S. E. Reyes-Lillo, S. Saremi, Y. Dong, H. Lu, Z. Chen, X. Lu, Y. Qi, S.-L. Hsu, A. R. Damodaran, H. Zhou, J. B. Neaton, and L. W. Martin, ACS Nano 12, 4736 (2018).
W. Huang, W. Zhao, Z. Luo, Y. Yin, Y. Lin, C. Hou, B. Tian, C.-G. Duan, and X.-G. Li, Adv. Electron. Mater. 4, 1700560 (2018).
W. Zhao, W. Huang, C. Liu, C. Hou, Z. Chen, Y. Yin, and X. Li, ACS Appl. Mater. Interfaces 10, 21390 (2018).
R. Xu, S. Liu, S. Saremi, R. Gao, J. J. Wang, Z. Hong, H. Lu, A. Ghosh, S. Pandya, E. Bonturim, Z. H. Chen, L. Q. Chen, A. M. Rappe, and L. W. Martin, Nat Commun 10, 1282 (2019).
S. Manipatruni, D. E. Nikonov, C.-C. Lin, T. A. Gosavi, H. Liu, B. Prasad, Y.-L. Huang, E. Bonturim, R. Ramesh, and I. A. Young, Nature 565, 35 (2019).
Z. Liang, M. G. Mankalale, J. Hu, Z. Zhao, J.-P. Wang, and S. S. Sapatnekar, IEEE J. Explor. Solid-State Comput. Devices Circuits 4, 51 (2018).
P. Buragohain, A. Erickson, P. Kariuki, T. Mittmann, C. Richter, P. D. Lomenzo, H. Lu, T. Schenk, T. Mikolajick, U. Schroeder, and A. Gruverman, ACS Appl. Mater. Interfaces 11, 35115 (2019).
S. S. Cheema, D. Kwon, N. Shanker, R. dos Reis, S.-L. Hsu, J. Xiao, H. Zhang, R. Wagner, A. Datar, M. R. McCarter, C. R. Serrao, A. K. Yadav, G. Karbasian, C.-H. Hsu, A. J. Tan, L.-C. Wang, V. Thakare, X. Zhang, A. Mehta, E. Karapetrova, R. V. Chopdekar, P. Shafer, E. Arenholz, C. Hu, R. Proksch, R. Ramesh, J. Ciston, and S. Salahuddin, Nature 580, 478 (2020).
K. Lee, H.-J. Lee, T. Y. Lee, H. H. Lim, M. S. Song, H. K. Yoo, D. I. Suh, J. G. Lee, Z. Zhu, A. Yoon, M. R. MacDonald, X. Lei, K. Park, J. Park, J. H. Lee, and S. C. Chae, ACS Appl. Mater. Interfaces 11, 38929 (2019).
Author information
Authors and Affiliations
Rights and permissions
About this article
Cite this article
Kim, J., Lupi, E., Pesquera, D. et al. Beyond Expectation: Advanced Materials Design, Synthesis, and Processing to Enable Novel Ferroelectric Properties and Applications. MRS Advances 5, 3453–3472 (2020). https://doi.org/10.1557/adv.2020.344
Published:
Issue Date:
DOI: https://doi.org/10.1557/adv.2020.344