Understanding ferroelectricity in layered perovskites: New ideas and insights from theory and experiments

Dalton Transactions

Volumn 44, Issue 23, 2015, Pages 10543-10558

  Benedek, Nicole A ^a   Rondinelli, James M ^b   Djani, Hania ^c   Ghosez, Philippe ^d   Lightfoot, Philip ^e  

^a UNIVERSITY OF TEXAS AT AUSTIN   (United States)

^b Northwestern University   (United States)

^c CENTRE DE DÉVELOPPEMENT DES TECHNOLOGIES AVANCÉES   (Algeria)

^d UNIVERSITY OF LIÈGE   (Belgium)

^e UNIVERSITY OF ST ANDREWS   (United Kingdom)

Author keywords

[No Author keywords available]

Indexed keywords

ELECTRIC FIELDS; FERROELECTRICITY; METAL INSULATOR BOUNDARIES; METAL INSULATOR TRANSITION; PEROVSKITE; SEMICONDUCTOR INSULATOR BOUNDARIES;

CHEMICAL AND PHYSICAL PROPERTIES; CHEMICAL ORIGIN; EXPERIMENTAL INVESTIGATIONS; LAYERED PEROVSKITE; MAGNETOELECTRICS; NON-POLAR; POLAR STRUCTURES; STRUCTURAL DISTORTIONS;

FERROELECTRIC MATERIALS;

EID: 84930656573     PISSN: 14779226     EISSN: 14779234     Source Type: Journal    
DOI: 10.1039/c5dt00010f     Document Type: Review

References (160)

1. M. E. Lines and A. M. Glass, Principles and Applications of Ferroelectrics and Related Materials, Oxford University Press, 1977
2. P. S. Halasyamani K. R. Poeppelmeier Chem. Mater. 1998 10 2753 2769
3. Physics of Ferroelectrics A Modern Perspective, ed., K. M. Rabe, C. H. Ahn, and, J. Triscone, Springer, 2007
4. J. Wang J. B. Neaton H. Zheng V. Nagarajan S. B. Ogale B. Liu D. Viehland V. Vaithyanathan D. G. Schlom U. V. Waghmare N. A. Spaldin K. M. Rabe M. Wuttig R. Ramesh Science 2003 299 1719 1722
5. W. Eerenstein N. D. Mathur J. F. Scott Nature 2006 442 759 765
6. I. B. Bersuker Phys. Lett. 1966 20 589 590
7. I. B. Bersuker B. G. Vekhter Ferroelectrics 1978 19 137 150
8. J. K. Burdett Inorg. Chem. 1981 20 1959 1962
9. R. E. Cohen Nature 1992 358 136 138
10. P. Ghosez X. Gonze J.-P. Michenaud Europhys. Lett. 1996 33 713
11. D. J. Payne R. G. Egdell A. Walsh G. W. Watson J. Guo P.-A. Glans T. Learmonth K. E. Smith Phys. Rev. Lett. 2006 96 157403
12. U. V. Waghmare N. A. Spaldin H. C. Kandpal R. Seshadri Phys. Rev. B: Condens. Matter 2003 67 125111
13. N. A. Benedek C. J. Fennie J. Phys. Chem. C 2013 117 13339 13349
14. B. Aurivillius Ark. Kemi. 1950 1 463 480
15. C. H. Hervoches J. T. S. Irvine P. Lightfoot Phys. Rev. B: Condens. Matter 2001 64 100102(R)
16. J. M. Perez-Mato M. Aroyo A. García P. Blaha K. Schwarz J. Schweifer K. Parlinski Phys. Rev. B: Condens. Matter 2004 70 214111
17. P. Boullay J. Tellier D. Mercurio M. Manier F. J. Zuñiga J. M. Perez-Mato Solid State Sci. 2012 14 1367 1371
18. C. A-Paz de Araujo J. D. Cuchiaro L. D. McMillan M. C. Scott J. F. Scott Nature 1995 374 627 629
19. J. F. Scott Phys. World 1995 8 45 50
20. H. Djani E. Bousquet A. Kellou P. Ghosez Phys. Rev. B: Condens. Matter 2012 86 054107
21. H. Djani P. Hermet P. Ghosez J. Phys. Chem. C 2014 118 13514 13524
22. R. L. Withers J. G. Thompson A. D. Rae J. Solid State Chem. 1991 94 404 417
23. S. N. Ruddlesden P. Popper Acta Crystallogr. 1957 10 538 539
24. S. N. Ruddlesden P. Popper Acta Crystallogr. 1958 11 54 55
25. M. M. Elcombe E. H. Kisi K. D. Hawkins T. J. White P. Goodman S. Matheson Acta Crystallogr., Sect. B: Struct. Sci. 1991 47 305 314
26. N. Guiblin D. Grebille H. Leligny C. Martin Acta Crystallogr., Sect. C: Cryst. Struct. Commun. 2002 58 i3 i5
27. M. I. Lobanov M. Greenblatt E. N. Caspi J. D. Jorgensen D. V. Sheptyakov B. H. Toby C. E. Botez P. W. Stephens J. Phys.: Condens. Matter 2004 16 5339 5348
28. Y. Yoshida S. Ikeda H. Matsuhata N. Shirakawa C. H. Lee S. Katano Phys. Rev. B: Condens. Matter 2005 72 054412
29. M. Dion M. Ganne M. Tournoux Mater. Res. Bull. 1981 16 1429 1435
30. A. J. Jacobson J. W. Johnson J. T. Lewandowski Inorg. Chem. 1985 24 3727 3729
31. A. Snedden K. S. Knight P. Lightfoot J. Solid State Chem. 2003 173 309 313
32. R. J. Goff D. Keeble P. A. Thomas C. Ritter F. D. Morrison P. Lightfoot Chem. Mater. 2009 21 1296 1302
33. B. Li M. Osada T. C. Ozawa T. Sasaki Chem. Mater. 2012 24 3111 3113
34. C. Chen H. Ning S. Lepadatu M. Cain H. Yan M. J. Reece J. Mater. Chem. C 2015 3 19 22
35. N. A. Benedek Inorg. Chem. 2014 53 3769 3777
36. M. C. Knapp P. M. Woodward J. Solid State Chem. 2006 179 1076 1085
37. G. King P. M. Woodward J. Mater. Chem. 2010 20 5785 5796
38. G. King S. Thimmaiah A. Dwivedi P. M. Woodward Chem. Mater. 2007 19 6451 6458
39. J. M. Rondinelli C. J. Fennie Adv. Mater. 2012 24 1961 1968
40. A. T. Mulder N. A. Benedek J. M. Rondinelli C. J. Fennie Adv. Funct. Mater. 2013 23 4810 4820
41. J. Young J. M. Rondinelli Chem. Mater. 2013 25 4545 4550
42. J. B. Neaton K. M. Rabe Appl. Phys. Lett. 2003 82 1586 1588
43. M. Dawber C. Lichtensteiger M. Cantoni M. Veithen P. Ghosez K. Jonhston K. M. Rabe J. Triscone Phys. Rev. Lett. 2005 95 177601
44. M. Dawber N. Stucki C. Lichtensteiger S. Gariglio P. Ghosez J.-M. Triscone Adv. Mater. 2007 4153 49
45. M. Sepliarsky S. R. Phillpot D. Wolf M. G. Stachiotti R. L. Migoni Phys. Rev. B: Condens. Matter 2001 64 R060101
46. M. Sepliarsky S. R. Phillpot D. Wolf M. G. Stachiotti R. L. Migoni J. Appl. Phys. 2001 90 4509
47. E. Bousquet M. Dawber N. Stucki C. Lichtensteiger P. Hermet S. Gariglio J.-M. Triscone P. Ghosez Nature 2008 452 732 736
48. F. Lichtenberg A. Herrnberger K. Wiedenmann Prog. Solid State Chem. 2008 36 253 387
49. I. Etxebarria J. M. Perez-Mato P. Boullay Ferroelectrics 2010 401 17 23
50. N. A. Benedek C. J. Fennie Phys. Rev. Lett. 2011 106 107204
51. T. Fukushima A. Stroppa S. Picozzi J. M. Perez-Mato Phys. Chem. Chem. Phys. 2011 13 12186 12190
52. M. Stengel C. J. Fennie P. Ghosez Phys. Rev. B: Condens. Matter 2012 86 094112
53. H. J. Zhao J. Íñiguez W. Ren X. M. Chen L. Bellaiche Phys. Rev. B: Condens. Matter 2014 89 174101
54. W. Cochran Phys. Rev. Lett. 1959 3 412 414
55. A. P. Levanyuk D. G. Sannikov Usp. Fiz. Nauk 1974 112 561 589
56. B. B. Van Aken T. T. M. Palstra A. Filippeti N. A. Spaldin Nat. Mater. 2004 3 164 170
57. C. J. Fennie K. M. Rabe Phys. Rev. B: Condens. Matter 2005 72 100103(R)
58. J. Varignon P. Ghosez Phys. Rev. B: Condens. Matter 2013 87 140403
59. P. Tolédano J. Tolédano Phys. Rev. B: Condens. Matter 1976 14 3097 3109
60. M. Stengel N. A. Spaldin D. Vanderbilt Nat. Phys. 2009 5 304 308
61. A. Snedden C. H. Hervoches P. Lightfoot Phys. Rev. B: Condens. Matter 2003 67 092102
62. M. Dawber K. M. Rabe J. F. Scott Rev. Mod. Phys. 2005 77 1083 1130
63. I. Ponomareva I. Naumov I. Kornev H. Fu L. Bellaiche Curr. Opin. Solid State Mater. Sci. 2005 9 114 121
64. K. M. Rabe Curr. Opin. Solid State Mater. Sci. 2005 9 122
65. W. Duan Z. R. Liu Curr. Opin. Solid State Mater. Sci. 2006 10 40 51
66. J. Junquera P. Ghosez J. Comput. Theor. Nanosci. 2008 5 2071
67. J. Junquera P. Ghosez Nature 2003 422 506 509
68. M. Stengel N. A. Spaldin Nature 2006 443 679 682
69. I. Ponomareva I. I. Naumov I. Kornev H. Fu L. Bellaiche Phys. Rev. B: Condens. Matter 2005 72 140102(R)
70. M. Stengel D. Vanderbilt N. A. Spaldin Nat. Mater. 2009 8 392
71. C. Lichtensteiger S. Fernandez-Pena C. Weymann P. Zubko J.-M. Triscone Nano Lett. 2014 14 4205 4211
72. N. A. Pertsev A. G. Zembilgotov A. K. Tagantsev Phys. Rev. Lett. 1998 80 1988 1991
73. N. A. Pertsev A. K. Tagantsev N. Setter Phys. Rev. B: Condens. Matter 2000 61 R825 R829
74. K. J. Choi M. Biegaslki Y. L. Li A. Sharan J. Schubert R. Uecker P. Reiche Y. B. Chen X. Q. Pan V. Gopalan L. Q. Chen D. G. Schlom C. B. Eom Science 2004 306 1005 1009
75. J. H. Haeni P. Irvin W. Chang R. Uecker P. Reiche Y. L. Li S. Choudhury W. Tian M. E. Hawley B. Craigo A. K. Tagantsev X. Q. Pan S. K. Streiffer L. Q. Chen S. W. Kirchoefer J. Levy D. G. Schlom Nature 2004 430 758 761
76. O. Diéguez K. M. Rabe D. Vanderbilt Phys. Rev. B: Condens. Matter 2005 72 144101
77. P. Aguado-Puente J. Junquera Phys. Rev. B: Condens. Matter 2012 85 184105
78. P. Zubko N. Jecklin A. Torres-Pardo P. Aguado-Puente A. Gloter C. Lichtensteiger J. Junquera O. Stéphan J.-M. Triscone Nano Lett. 2012 12 2846 2851
79. N. Sai B. Meyer D. Vanderbilt Phys. Rev. Lett. 2000 84 5636 5639
80. H. N. Lee H. M. Christen M. F. Chisholm C. M. Rouleau D. H. Lowndes Nature 2005 433 395 399
81. S. M. Nakhmanson K. M. Rabe D. Vanderbilt Appl. Phys. Lett. 2005 87 102906
82. C. Lichtensteiger, P. Zubko, M. Stengel, P. Aguado-Puente, J. M. Triscone, P. Ghosez and J. Junquera, in Oxides Ultrathin Films: Science and Technology, ed., G. Pacchioni, and, S. Valeri, Wiley-VCH, Weinheim, Germany, 2011, pp. 265-308
83. P. Aguado-Puente P. Garcia-Fernandez J. Junquera Phys. Rev. Lett. 2011 107 217601
84. J. Young J. M. Rondinelli Chem. Mater. 2013 25 4545 4550
85. G. Gou J. M. Rondinelli Adv. Mater. Interfaces 2014 1 1400042
86. H. Sim S. Cheong B. Kim Phys. Rev. B: Condens. Matter 2013 88 014101
87. L. Bellaiche J. Íñiguez Phys. Rev. B: Condens. Matter 2013 88 014104
88. X. Lu X. Gong H. Xiang Comput. Mater. Sci. 2014 91 310 314
89. Z. Zanolli J. Wojdeł J. Íñiguez P. Ghosez Phys. Rev. B: Condens. Matter 2013 88 060102
90. O. Diéguez O. González-Vázquez J. Wojdeł J. Íñiguez Phys. Rev. B: Condens. Matter 2011 83 094105
91. E. Bousquet N. A. Spaldin Phys. Rev. Lett. 2011 107 197603
92. S. Ghosh, H. Das and C. J. Fennie, ArXiv e-prints, 2014
93. J. Alaria P. Borisov M. S. Dyer T. D. Manning S. Lepadatu M. G. Cain E. D. Mishina N. E. Sherstyuk N. A. Ilyin J. Hadermann D. Lederman J. B. Claridge M. J. Rosseinsky Chem. Sci. 2014 5 1599 1610
94. Y. F. Nie Y. Zhu C.-H. Lee L. F. Kourkoutis J. A. Mundy J. Junquera P. Ghosez D. J. Baek S. Sung X. X. Xi K. M. Shen D. A. Muller D. G. Schlom Nat. Commun. 2014 5 4530
95. J. H. Lee G. Luo I. C. Tung S. H. Chang Z. Luo M. Malshe M. Gadre A. Bhattacharya S. M. Nakhmanson J. A. Eastman H. Hong J. Jellinek D. Morgan D. D. Fong J. W. Freeland Nat. Mater. 2014 13 879 883
96. N. G. Zamkova V. S. Zhandun V. I. Zinenko Phys. Status Solidi B 2013 250 1888 1897
97. J. Young J. M. Rondinelli Phys. Rev. B: Condens. Matter 2014 89 174110
98. G. King A. Wills P. Woodward Phys. Rev. B: Condens. Matter 2009 79 224428
99. C. De T. H. Kim K. H. Kim A. Sundaresan Phys. Chem. Chem. Phys. 2014 16 5407 5411
100. H. J. Zhao W. Ren Y. Yang J. I. Niguez X. M. Chen L. Bellaiche Nat. Commun. 2014 1 4021
101. H. J. Zhao X. Q. Liu X. M. Chen L. Bellaiche Phys. Rev. B: Condens. Matter 2014 90 195147
102. A. Tarancón M. Burriel J. Santiso S. J. Skinner J. A. Kilner J. Mater. Chem. 2010 20 3799 3813
103. A. Chroneos B. Yildiz A. Tarancón D. Parfitt J. A. Kilner Energy Environ. Sci. 2011 4 2774 2789
104. J. G. Bednorz K. A. Muller Z. Phys. B: Condens. Matter 1986 64 189 193
105. Y. Maeno H. Hashimoto K. Yoshida S. Nishizaki T. Fujita J. G. Bednorz Nature 1994 372 532 534
106. Y. S. Oh X. Luo F. Huang Y. Wang S. Cheong Nat. Mater. 2015 10.1038/nmat4168
107. M. S. Senn A. Bombardi C. A. Murray C. Vecchini A. Scherillo X. Luo S. W. Cheong Phys. Rev. Lett. 2015 035701
108. M. J. Pitcher P. Mandal M. S. Dyer J. Alaria P. Borisov H. Niu J. B. Claridge M. J. Rosseinsky Science 2015 347 420 424
109. N. A. Benedek A. T. Mulder C. J. Fennie J. Solid State Chem. 2012 195 11 20
110. P. V. Balachandran D. Puggioni J. M. Rondinelli Inorg. Chem. 2014 53 336 348
111. H. Akamatsu K. Fujita T. Kuge A. Sen Gupta A. Togo S. Lei F. Xue G. Stone J. M. Rondinelli L.-Q. Chen I. Tanaka V. Gopalan K. Tanaka Phys. Rev. Lett. 2014 112 187602
112. N. Sharma B. Kennedy M. Elcombe Y. Liu C. Ling J. Phys.: Condens. Matter 2008 20 025215
113. B. Zulhadjri B. Prijamboedi A. Nugroho et al. J. Solid State Chem. 2011 184 1318 1323
114. F. Yang P. Su C. Wei X. Chen C. Yang W. Cao J. Appl. Phys. 2011 110 126102
115. S. Tinte M. Stachiotti Phys. Rev. B: Condens. Matter 2012 85 224112
116. Y. Birenbaum C. Ederer Phys. Rev. B: Condens. Matter 2014 90 214109
117. J.-C. Champarnaud-Mesjard B. Frit A. Watanabe J. Mater. Chem. 1999 9 1319 1322
118. P. Millan A. Ramirez A. Castro J. Mater. Sci. Lett. 1995 14 1657 1660
119. Y. González-Abreu A. Peláiz-Barranco J. Guerra Y. Gagou P. Saint-Grégoire J. Mater. Sci. 2014 49 7437 7444
120. N. Kim R.-N. Vannier C. P. Grey Chem. Mater. 2005 17 1952 1958
121. A. Kudo S. Hijii Chem. Lett. 1999 1999 1103 1104
122. K. Yee T. A. Albright D. Jung M.-H. Whangbo Angew. Chem., Int. Ed. Engl. 1989 28 750 751
123. C. H. Hervoches P. Lightfoot Chem. Mater. 1999 11 3359
124. J. F. Dorrian R. E. Newnham D. K. Smith Ferroelectrics 1971 3 17
125. R. E. Newnham R. Wolfe R. Horsey F. Diazcolon M. Kay Mater. Res. Bull. 1973 8 1183
126. A. D. Rae J. G. Thompson R. L. Withers Acta Crystallogr., Sect. B: Struct. Sci. 1991 47 870
127. R. Machado M. G. Stachiotti A. H. Tera Phys. Rev. B: Condens. Matter 2004 70 214112
128. N. A. McDowell K. S. Knight P. Lightfoot Chem.-Eur. J. 2006 12 1493
129. K. Muramatsu M. Shimazu J. Tanaka S. Horiuchi J. Solid State Chem. 1981 36 179 182
130. D. Mercurio G. Trolliard T. Hansen J. Mercurio Int. J. Inorg. Mater. 2000 2 397 406
131. L. Shebanov V. Osipyan E. Freidenfield Izv. Akad. Nauk. Arm. SSSR, Neorg. Mater. 1982 18 305
132. V. K. Yanovskii V. I. Voronkova Phys. Status Solidi A 1986 93 57 66
133. H. Yan H. Zhang R. Ubic M. Reece J. Liu Z. Shen Z. Zhang Adv. Mater. 2005 17 1261 1265
134. A. Ramaman J. G. Bishnan M. Uppal D. Jefferson C. Rao Proc. R. Soc. London, Ser. A 1984 395 127 139
135. C. H. Hervoches A. Snedden R. Riggs S. H. Kilcoyne P. Manuel P. Lightfoot J. Solid State Chem. 2002 164 280
136. J. M. Perez-Mato M. Aroyo A. García P. Blaha K. Schwarz J. Schweifer K. Parlinski Phys. Rev. B: Condens. Matter 2004 70 214111
137. M. G. Stachiotti C. O. Rodriguez C. Ambrosch-Draxl N. E. Christensen Phys. Rev. B: Condens. Matter 2000 61 14434 14439
138. K. Miura J. Korean Phys. Soc. 2003 42 S1244 S1247
139. Q. Zhou B. J. Kennedy C. J. Howard Chem. Mater. 2003 15 5025 5028
140. M. Iwata K. Ando M. Maeda Y. Ishibashi J. Phys. Soc. Jpn. 2013 82 025001
141. J. M. Perez-Mato P. Blaha K. Schwarz M. Aroyo D. Orobengoa I. Etxebarria A. García Phys. Rev. B: Condens. Matter 2008 77 184104
142. M. Leblanc V. Maisonneuve A. Tressaud Chem. Rev. 2014 115 1191 1254
143. T. A. Kodenkandath J. N. Lalena W. L. Zhou E. E. Carpenter C. Sangregorio A. U. Falster W. B. Simmons C. J. O'Connor J. B. Wiley J. Am. Chem. Soc. 1999 121 10743 10746
144. T. A. Kodenkandath A. S. Kumbhar W. L. Zhou J. B. Wiley Inorg. Chem. 2001 40 710 714
145. L. Viciu G. Caruntu N. Royant J. Koenig W. L. Zhou T. A. Kodenkandath J. B. Wiley Inorg. Chem. 2002 41 3385 3388
146. L. Viciu V. O. Golub J. B. Wiley J. Solid State Chem. 2003 175 88 93
147. J. Choy J. Kim S. Kim J. Sohn Chem. Mater. 2001 13 906 912
148. G. Caruntu L. Spinu J. B. Wiley Mater. Res. Bull. 2002 37 133 140
149. Y. Kobayashi M. Tian M. Eguchi T. E. Mallouk J. Am. Chem. Soc. 2009 131 9849 9855
150. M. A. Subramanian J. Gopalakrishnan A. W. Sleight Mater. Res. Bull. 1988 23 837 842
151. C. J. Fennie K. M. Rabe Appl. Phys. Lett. 2006 88 262902
152. K. S. Aleksandrov Crystallogr. Rep. 1995 40 251 272
153. K. S. Aleksandrov J. Bartolomé Phase Transitions 2001 74 255 335
154. M. J. Geselbracht R. I. Walton E. S. Cowell F. Millange D. O'Hare Chem. Mater. 2002 14 4343 4349
155. F. Le Berre M. P. Crosnier-Lopez J. L. Fourquet Solid State Sci. 2004 6 53 59
156. A. Stroppa P. Barone P. Jain J. M. Perez-Mato S. Picozzi Adv. Mater. 2013 25 2284
157. Y. Tian A. Stroppa Y.-S. Chai P. Barone M. Perez-Mato S. Picozzi Y. Sun Phys. Status Solidi RRL 2014 1 1 6
158. N. C. Bristowe J. Varignon D. Fontaine E. Bousquet P. Ghosez Nat. Commun. 2015
159. Y. Yang J. Íñiguez A.-J. Mao L. Bellaiche Phys. Rev. Lett. 2014 112 057202
160. J. Varignon, N. C. Bristowe, E. Bousquet and P. Ghosez, 2014