In this work, we study and compare the photo-induced conductivity of a two-dimensional electron gas (2DEG) at the bare surface of SrTiO3 (STO) and in the heterostructure of BiFeO3 (BFO) and STO, where BFO was deposited by radio frequency magnetron sputtering. The photo-induced conductance of the BFO/STO interface shows a large increase which is 20.62 times more than the sum of photo-induced conductance from each individual BFO thin film and STO crystal. Since this photo-induced conductance of the BFO/STO heterostructure can be adjusted to become higher and lower by applying an electric field to the top surface, we attribute this large increase to the strong photo-induced electrical polarization of BFO. With the two-point setup of positive bias and negative bias, the conductivity also exhibits diode-like behavior where the forward and backward resistances are different. This work provides methods to interplay between light irradiation, electric field, and conductivity in all-oxide electronics.
References
1.
J. W.
Reiner
, F. J.
Walker
, and C. H.
Ahn
, Science
323
, 1018
–1019
(2009
).2.
J.
Mannhart
and D. G.
Schlom
, Science
327
, 1607
–1611
(2010
).3.
B. P.
Uberuaga
, P. P.
Dholabhai
, G.
Pilania
, and A.
Chen
, APL Mater.
7
, 100904
(2019
).4.
A.
Ohtomo
and H. Y.
Hwang
, Nature
427
, 423
–426
(2004
).5.
Z.
Wan
, A.
Kazakov
, M. J.
Manfra
, L. N.
Pfeiffer
, K. W.
West
, and L. P.
Rokhinson
, Nat. Commun.
6
, 7426
(2015
).6.
K. J.
Kormondy
, L.
Gao
, X.
Li
, S.
Lu
, A. B.
Posadas
, S.
Shen
, M.
Tsoi
, M. R.
McCartney
, D. J.
Smith
, J.
Zhou
, L. L.
Lev
, M.-A.
Husanu
, V. N.
Strocov
, and A. A.
Demkov
, Sci. Rep.
8
, 7721
(2018
).7.
L.
Li
, C.
Richter
, S.
Paetel
, T.
Kopp
, J.
Mannhart
, and R. C.
Ashoori
, Science
332
, 825
–828
(2011
).8.
S.-I.
Kim
, D.-H.
Kim
, Y.
Kim
, S. Y.
Moon
, M.-G.
Kang
, J. K.
Choi
, H. W.
Jang
, S. K.
Kim
, J.-W.
Choi
, S.-J.
Yoon
, H. J.
Chang
, C.-Y.
Kang
, S.
Lee
, S.-H.
Hong
, J.-S.
Kim
, and S.-H.
Baek
, Adv. Mater.
25
, 4612
–4617
(2013
).9.
S. W.
Lee
, Y.
Liu
, J.
Heo
, and R. G.
Gordon
, Nano Lett.
12
, 4775
–4783
(2012
).10.
T. J.
Seok
, Y.
Liu
, J. H.
Choi
, H. J.
Kim
, D. H.
Kim
, S. M.
Kim
, J. H.
Jang
, D.-Y.
Cho
, S. W.
Lee
, and T. J.
Park
, Chem. Mater.
32
, 7662
–7669
(2020
).11.
J. H.
Ngai
, Y.
Segal
, F. J.
Walker
, and C. H.
Ahn
, Phys. Rev. B
83
, 045304
(2011
).12.
H.
Zaid
, M. H.
Berger
, D.
Jalabert
, M.
Walls
, R.
Akrobetu
, I.
Fongkaew
, W. R. L.
Lambrecht
, N. J.
Goble
, X. P. A.
Gao
, P.
Berger
, and A.
Sehirlioglu
, Sci. Rep.
6
, 28118
(2016
).13.
C.
Weiland
, G. E.
Sterbinsky
, A. K.
Rumaiz
, C. S.
Hellberg
, J. C.
Woicik
, S.
Zhu
, and D. G.
Schlom
, Phys. Rev. B
91
, 165103
(2015
).14.
F.
Zhang
, P.
Lv
, Y.
Zhang
, S.
Huang
, C.-M.
Wong
, H.-M.
Yau
, X.
Chen
, Z.
Wen
, X.
Jiang
, C.
Zeng
, J.
Hong
, and J.-Y.
Dai
, Phys. Rev. Lett.
122
, 257601
(2019
).15.
F.
Zhang
, W.-M.
Jiang
, C.-J.
Li
, Y.
Jin
, Z.
Wang
, J.-C.
Nie
, and J.-Y.
Dai
, ACS Appl. Electron. Mater.
2
, 1861
–1866
(2020
).16.
H.
Guo
, W. A.
Saidi
, and J.
Zhao
, Phys. Chem. Chem. Phys.
18
, 28474
–28484
(2016
).17.
W.
Meevasana
, P. D. C.
King
, R. H.
He
, S.-K.
Mo
, M.
Hashimoto
, A.
Tamai
, P.
Songsiriritthigul
, F.
Baumberger
, and Z.-X.
Shen
, Nat. Mater.
10
, 114
–118
(2011
).18.
Y.
Hong
, J.
Jia
, Z.
Zhang
, S.
Wang
, R.
Dou
, J.
Nie
, and C.
Xiong
, Appl. Phys. Lett.
129
, 115304
(2021
).19.
R.
Yang
, C.
Bi
, S.
Zhao
, M.
Li
, I. M.
Asad
, B. M.
Khalid
, and K.
Jin
, Appl. Phys. Lett.
117
, 151604
(2020
).20.
H. M.
Zeeshan
, M. K.
Butt
, M. A.
Iqbal
, S.
Wang
, L.
Ren
, and K.
Jin
, ACS Appl. Mater. Interfaces
12
, 11197
–11203
(2020
).21.
Y.
Chen
, Y.
Lechaux
, B.
Casals
, B.
Guillet
, A.
Minj
, J.
Gazquez
, L.
Mechin
, and G.
Herranz
, Phys. Rev. Lett.
124
, 246804
(2020
).22.
Y.
Lei
, Y.
Li
, Y. Z.
Chen
, Y. W.
Xie
, Y. S.
Chen
, S. H.
Wang
, J.
Wang
, B. G.
Shen
, N.
Pryds
, H. Y.
Hwang
, and J. R.
Sun
, Nat. Commun.
5
, 5554
(2014
).23.
P. D. C.
King
, R. H.
He
, T.
Eknapakul
, P.
Buaphet
, S.-K.
Mo
, Y.
Kaneko
, S.
Harashima
, Y.
Hikita
, M. S.
Bahramy
, C.
Bell
, Z.
Hussain
, Y.
Tokura
, Z.-X.
Shen
, H. Y.
Hwang
, F.
Baumberger
, and W.
Meevasana
, Phys. Rev. Lett.
108
, 117602
(2012
).24.
P.
Jaiban
, M.-H.
Lu
, T.
Eknapakul
, S.
Chaiyachad
, S. H.
Yao
, N.
Pisitpipathsin
, M.
Unruan
, S.
Siriroj
, R.-H.
He
, S.-K.
Mo
, A.
Watcharapasorn
, R.
Yimnirun
, Y.
Tokura
, Z.-X.
Shen
, H. Y.
Hwang
, S.
Maensiri
, and W.
Meevasana
, Sci. Rep.
10
, 16834
(2020
).25.
S.
Suwanwong
, T.
Eknapakul
, Y.
Rattanachai
, C.
Masingboon
, S.
Rattanasuporn
, R.
Pattanakun
, H.
Nakajima
, P. D. C.
King
, S.
Hodak
, and W.
Meevasana
, Appl. Surf. Sci.
355
, 210
–212
(2015
).26.
C.
Masingboon
, T.
Eknapakul
, S.
Suwanwong
, P.
Buaphet
, H.
Nakajima
, S.-K.
Mo
, P.
Thongbai
, P. D. C.
King
, S.
Maensiri
, and W.
Meevasana
, Appl. Phys. Lett.
102
, 202903
(2013
).27.
S.
Suwanwong
, J.
Kullapapinyokul
, T.
Eknapakul
, P.
Buaphet
, R.
Pattanakul
, and W.
Meevasana
, Suranaree J. Sci. Technol.
22
, 93
–98
(2014
).28.
Z.
Zhang
, P.
Wu
, L.
Chen
, and J.
Wang
, Appl. Phys. Lett.
99
, 062902
(2011
).29.
C.
Chen
, S.
Lv
, J.
Li
, Z.
Wang
, X.
Liang
, Y.
Li
, D.
Viehland
, K.
Nakajima
, and Y.
Ikuhara
, Appl. Phys. Lett.
107
, 031601
(2015
).30.
Z.
Fu
, H.
Chen
, Y.
Liu
, M.
Liu
, and W.-M.
Liu
, Phys. Rev. B
103
, 195301
(2021
).31.
Y.
Zhang
, H.
Lu
, L.
Xie
, X.
Yan
, T.
Paudel
, J.
Kim
, X.
Cheng
, H.
Wang
, C.
Heikes
, L.
Li
, M.
Xu
, D.
Schlom
, L.-Q.
Chen
, R.
Wu
, E.
Tsymbal
, A.
Gruverman
, and X.
Pan
, Nat. Nanotechnol.
13
, 1132
–1136
(2018
).32.
W.
Eerenstein
, N. D.
Mathur
, and J. F.
Scott
, Nature
442
, 759
–765
(2006
).33.
G.
Catalan
and J. F.
Scott
, Adv. Mater.
21
, 2463
–2485
(2009
).34.
D.
Lebeugle
, D.
Colson
, A.
Forget
, M.
Viret
, P.
Bonville
, J.
Marucco
, and S.
Fusil
, Phys. Rev. B
76
, 024116
(2007
).35.
H.
Bea
, M.
Gajek
, M.
Bibes
, and A.
Barthelemy
, J. Phys.
20
, 434221
(2008
).36.
C.
Ederer
and N. A.
Spaldin
, Curr. Opin. Solid State Mater. Sci.
9
, 128
–139
(2005
).37.
S. Y.
Yang
, J.
Seidel
, S. J.
Byrnes
, P.
Shafer
, C.-H.
Yang
, M. D.
Rossell
, P.
Yu
, Y.-H.
Chu
, J. F.
Scott
, J. W.
Ager
III, L. W.
Martin
, and R.
Ramesh
, Nat. Nanotechnol.
5
, 143
–147
(2010
).38.
W.
Ji
, K.
Yao
, and Y. C.
Liang
, Adv. Mater.
22
, 1763
–1766
(2010
).39.
R. K.
Katiyar
, P.
Misra
, F.
Mendoza
, G.
Morell
, and R. S.
Katiyar
, Appl. Phys. Lett.
105
, 142902
(2014
).40.
Y.
Chen
, N.
Pryds
, J. E.
Kleibeuker
, G.
Koster
, J.
Sun
, E.
Stamate
, B.
Shen
, G.
Rijnders
, and S.
Linderoth
, Nano Lett.
11
, 3774
–3778
(2011
).41.
Y.
Chen
, B.
Casals
, and G.
Herranz
, ACS Appl. Electron. Mater.
1
, 810
–816
(2019
).42.
M. H.
Li
, H.
Li
, Y. L.
Gan
, H.
Xu
, C. M.
Xiong
, F. X.
Hu
, J. R.
Sun
, T.
Schmitt
, V. N.
Strocov
, Y. Z.
Chen
, and B. G.
Shen
, Phys. Rev. Mater.
6
, 035004
(2022
).43.
H. J.
Lee
, T.
Moon
, C. H.
An
, and C. S.
Hwang
, Adv. Electron. Mater.
5
, 1800527
(2019
).44.
H.
Zhu
, H.
Ma
, and Y.
Zhao
, Vacuum
157
, 428
–432
(2018
).45.
L.
Zhao
, Z.
Lu
, F.
Zhang
, G.
Tian
, X.
Song
, Z.
Li
, K.
Huang
, Z.
Zhang
, M.
Qin
, S.
Wu
, X.
Lu
, M.
Zeng
, X.
Gao
, J.
Dai
, and J.-M.
Liu
, Sci. Rep.
5
, 9680
(2015
).46.
H.
Deng
, M.
Zhang
, T.
Li
, J.
Wei
, S.
Chu
, M.
Du
, and H.
Yan
, J. Alloys Compd.
639
, 235
–238
(2015
).47.
S.
Nathabumroong
, T.
Eknapakul
, P.
Jaiban
, B.
Yotburut
, S.
Siriroj
, T.
Saisopa
, S.-K.
Mo
, R.
Supruangnet
, H.
Nakajima
, R.
Yimnirun
, S.
Maensiri
, and W.
Meevasana
, Sci. Rep.
10
, 5153
(2020
).48.
R.
Guo
, L.
You
, W.
Lin
, A.
Abdelsamie
, X.
Shu
, G.
Zhou
, S.
Chen
, L.
Liu
, X.
Yan
, J.
Wang
, and J.
Chen
, Nat. Commun.
11
, 2571
(2020
).49.
F.
Chen
, J.
Goodfellow
, S.
Liu
, I.
Grinberg
, M. C.
Hoffmann
, A. R.
Damodaran
, Y.
Zhu
, P.
Zalden
, X.
Zhang
, I.
Takeuchi
, A. M.
Rappe
, L. W.
Martin
, H.
Wen
, and A. M.
Lindenberg
, Adv. Mater.
27
, 6371
–6375
(2015
).50.
J.
Guo
, W.
Chen
, H.
Chen
, Y.
Zhao
, F.
Dong
, W.
Liu
, and Y.
Zhang
, Adv. Opt. Mater.
9
, 2002146
(2021
).51.
C. R.
Winkler
, A. R.
Damodaran
, J.
Karthik
, L. W.
Martin
, and M. L.
Taheri
, Micron
43
, 1121
–1126
(2012
).52.
S.
Stemmer
and A. J.
Millis
, MRS Bull.
38
, 1032
–1039
(2013
).53.
Z.
Li
, Y.
Zhao
, W.
Li
, R.
Song
, Y.
Zhang
, W.
Zhao
, Z.
Wang
, Y.
Peng
, and W.
Fei
, J. Mater. Res. Technol.
11
, 1852
–1858
(2021
).54.
B.
Yotburut
, P.
Thongbai
, T.
Yamwong
, and S.
Maensiri
, Ceram. Int.
43
, 5616
–5627
(2017
).55.
S. M.
Walker
, F. Y.
Bruno
, Z.
Wang
, A.
de la Torre
, S.
Riccó
, A.
Tamai
, T. K.
Kim
, M.
Hoesch
, M.
Shi
, M. S.
Bahramy
, P. D. C.
King
, and F.
Baumberger
, Adv. Mater.
27
, 3894
–3899
(2015
).56.
M.-M.
Yang
and M.
Alexe
, Adv. Mater.
30
, 1704908
(2018
).57.
Z.-Q.
Ren
, Y.-D.
Liu
, S.-Y.
Bao
, N.
Yang
, N.
Zhong
, X.-D.
Tang
, P.-H.
Xiang
, and C.-G.
Duan
, Appl. Phys. Lett.
115
, 242901
(2019
).58.
T. J.
Seok
, Y.
Liu
, H. J.
Jung
, S. B.
Kim
, D. H.
Kim
, S. M.
Kim
, J. H.
Jang
, D.-Y.
Cho
, S. W.
Lee
, and T. J.
Park
, ACS Nano
12
, 10403
–10409
(2018
).© 2022 Author(s). Published under an exclusive license by AIP Publishing.
2022
Author(s)
You do not currently have access to this content.