Biaxial strain induces a phase transition from a pseudo-rhombohedral (R) to pseudo-tetragonal (T) phase in BiFeO3 (BFO) thin films. Using optical second harmonic generation, we measure the nonlinear optical dij coefficients at a fundamental wavelength of 1550 nm for R and T-BFO thin films. A large increase of the dij magnitudes is observed for T-BFO in comparison to R-BFO. The dij magnitudes for T-BFO were measured to be: |d33|=18.1±2.4,|d31|=60.8±8.1, and |d15|=47.0±4.2, and for R-BFO: |d33|=15.1±2.1,|d31|=8.5±1.2,|d15|=0.9±0.1, and |d22|=18.7±2.6(pm/V). The strain-enhanced nonlinear optical properties of T-BFO thin films make them potentially useful for optical applications.

1.
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
, and
R.
Ramesh
,
Science
299
,
1719
(
2003
).
2.
C.
Ederer
and
N.
Spaldin
,
Phys. Rev. B
71
,
224103
(
2005
).
3.
G.
Catalan
and
J. F.
Scott
,
Adv. Mater.
21
,
2463
(
2009
).
4.
K.
Takahashi
,
N.
Kida
, and
M.
Tonouchi
,
Phys. Rev. Lett.
96
,
117402
(
2006
).
5.
D.
Talbayev
,
S.
Lee
,
S.-W.
Cheong
, and
A. J.
Taylor
,
Appl. Phys. Lett.
93
,
212906
(
2008
).
6.
J.
Allibe
,
K.
Bougot-Robin
,
E.
Jacquet
,
I. C.
Infante
,
S.
Fusil
,
C.
Carretero
,
J.-L.
Reverchon
,
B.
Marchihac
,
D.
Crete
,
J.-C.
Mage
,
A.
Barthelemy
, and
M.
Bibes
,
Appl. Phys. Lett.
96
,
182902
(
2010
).
7.
Y.
Li
,
J.
Xue
,
J.
Sun
,
X.
Meng
,
Z.
Huang
,
J.
Chu
,
L.
Ding
, and
W.
Zhang
,
Appl. Phys. A
87
,
125
(
2007
).
8.
S. R.
Basu
,
L. W.
Martin
,
Y. H.
Chu
,
M.
Gajek
,
R.
Ramesh
,
R. C.
Rai
,
X.
Xu
, and
J. L.
Musfeldt
,
Appl. Phys. Lett.
92
,
091905
(
2008
).
9.
R. K.
Katiyar
,
A.
Kumar
,
G.
Morell
,
J. F.
Scott
, and
R. S.
Katiyar
,
Appl. Phys. Lett.
99
,
092906
(
2011
).
10.
Z.
Jin
,
Y.
Xu
,
Z.
Zhang
,
G.
Li
,
X.
Lin
,
G.
Ma
,
Z.
Cheng
, and
X.
Wang
,
Appl. Phys. Lett.
100
,
071105
(
2012
).
11.
R. J.
Zeches
,
M. D.
Rossell
,
J. X.
Zhang
,
A. J.
Hatt
,
Q.
He
,
C.-H.
Yang
,
A.
Kumar
,
C. H.
Wang
,
A.
Melville
,
C.
Adamo
,
G.
Sheng
,
Y.-H.
Chu
,
J. F.
Ihlefeld
,
R.
Erni
,
C.
Ederer
,
V.
Gopalan
,
L. Q.
Chen
,
D. G.
Schlom
,
N. A.
Spaldin
,
L. W.
Martin
, and
R.
Ramesh
,
Science
326
,
977
(
2009
).
12.
H.
Bea
,
B.
Dupe
,
S.
Fusil
,
R.
Mattana
,
E.
Jacquet
,
B.
Warot-Fonrose
,
F.
Wilhelm
,
A.
Rogalev
,
S.
Petit
,
V.
Cros
,
A.
Anane
,
F.
Petroff
,
K.
Bouzehouane
,
G.
Geneste
,
B.
Dkhil
,
S.
Lisenkov
,
I.
Ponomaeva
,
L.
Bellaiche
,
M.
Bibes
, and
A.
Barthelemy
,
Phys. Rev. Lett.
102
,
217603
(
2009
).
13.
A. J.
Hatt
and
N. A.
Spaldin
,
Phys. Rev. B
81
,
054109
(
2010
).
14.
H.
Christe
,
J.
Nam
,
H.
Kim
,
A.
Hatt
, and
N.
Spaldin
,
Phys. Rev. B
83
,
144107
(
2011
).
15.
K. Y.
Yun
,
D.
Ricinschi
,
Y.
Kanashima
,
M.
Noda
, and
M.
Okuyama
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 2
43
,
L647
(
2004
).
16.
D.
Ricinschi
,
K.-Y.
Yun
, and
M.
Okuyama
,
J. Phys.: Condens. Matter
18
,
L97
(
2006
).
17.
S.
Ju
,
T.-Y.
Cai
, and
G.-Y.
Guo
,
J. Chem. Phys.
130
,
214708
(
2009
).
18.
S.
Ju
and
T.-Y.
Cai
,
Appl. Phys. Lett.
95
,
112506
(
2009
).
19.
A.
Kumar
,
R. C.
Rai
,
N. J.
Podraza
,
S.
Denev
,
M.
Ramirez
,
Y.-H.
Chu
,
L. W.
Martin
,
J.
Ihlefeld
,
T.
Heeg
,
J.
Schubert
,
D. G.
Schlom
,
J.
Orenstein
,
R.
Ramesh
,
R. W.
Collins
,
J. L.
Musfeldt
, and
V.
Gopalan
,
Appl. Phys. Lett.
92
,
121915
(
2008
).
20.
H.
Yokota
,
R.
Haumont
,
J.-M.
Kiat
,
H.
Matsuura
, and
Y.
Uesu
,
Appl. Phys. Lett.
95
,
082904
(
2009
).
21.
See supplementary material at http://dx.doi.org/10.1063/1.4812978 for x-ray diffraction data and complete definitions of the terms Θf,Πf, and Ωref.
22.
Y. C.
Chen
,
Q. R.
Lin
, and
Y. H.
Chu
,
Appl. Phys. Lett.
94
,
122908
(
2009
).
23.
Y.-H.
Chu
,
M.
Cruz
,
C.-H.
Yang
,
L.
Martin
,
P.-L.
Yang
,
J.-X.
Zhang
,
K.
Lee
,
P.
Yu
,
L.-Q.
Chen
, and
R.
Ramesh
,
Adv. Mater.
19
,
2662
(
2007
).
24.
S. A.
Denev
,
T. A.
Lummen
,
E.
Barnes
,
A.
Kumar
, and
V.
Gopalan
,
J. Am. Ceram. Soc.
94
(
9
),
2699
(
2011
).
25.
A.
Kumar
,
S.
Denev
,
R. J.
Zeches
,
E.
Vlahos
,
N. J.
Podraza
,
A.
Melville
,
D. G.
Schlom
,
R.
Ramesh
and
V.
Gopalan
,
Appl. Phys. Lett.
97
,
112903
(
2010
).
26.
P.
Chen
,
N. J.
Podraza
,
X. S.
Xu
,
A.
Melville
,
E.
Vlahos
,
V.
Gopalan
,
R.
Ramesh
,
D. G.
Schlom
, and
J. L.
Musfeldt
,
Appl. Phys. Lett.
96
,
131907
(
2010
).
27.
W. N.
Herman
and
L. M.
Hayden
,
J. Opt. Soc. Am. B
12
,
416
(
1995
).
28.
D. N.
Nikogosyan
,
Nonlinear Optical Crystals: A Complete Survey
(
Springer
,
New York
,
2005
), pp.
35
64
.
29.

Theoretical dij values listed in Table I were taken from Fig. 7 from Ref. 17 for bulk BFO and from Fig. 2 from Ref. 18 for T-BFO.

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.