BiFeO3 epitaxial films (tBFO = 1–10 nm) were grown on a LaSrMnO3 (tLSMO = 70 nm) buffer layer and capped with a Ru or Ru/Al layer. The BiFeO3 ultrathin film (tBFO = 3 nm) was confirmed to be continuous and flat over a wide area. Piezoelectric response and switching of spontaneous polarization were observed in the ultrathin films by switching-spectroscopy piezoelectric force microscopy measurements. Using the lock-in method with a modulation frequency of 10 Hz in x-ray absorption spectroscopy (XAS), a difference was observed between the left- and right-circularly polarized XAS signals of Fe L3 and L2 owing to x-ray magnetic circular dichroism (XMCD). The number of Fe L3 and L2 XMCD peaks indicated that a mixture of oxygen octahedron and tetrahedron (divalent and trivalent) structures might be formed. The tBFO dependence of XMCD revealed that approximately 1 nm thick ferro-like magnetic properties emerged on the BiFeO3 side of the BiFeO3/Ru interface. Ru may partially extract oxygen from BiFeO3, forming an oxygen tetrahedron structure. The BiFeO3/Ru bilayer exhibits both a piezoelectric response and ferro-like magnetism, which is promising as the basic structure of multiferroic tunnel junctions.
REFERENCES
1.
R.
Ramesh
and N. A.
Spaldin
, Nat. Mater.
6
, 21
(2007
). 2.
M.
Bibes
and A.
Barthelemy
, Nat. Mater.
7
, 425
(2008
). 3.
Y.
Tokura
, S.
Seki
, and N.
Nagaosa
, Rep. Prog. Phys.
77
, 076501
(2014
). 4.
Y.
Kitagawa
, Y.
Hiraoka
, T.
Honda
, T.
Ishikura
, H.
Nakamura
, and T.
Kimura
, Nat. Mater.
9
, 797
(2010
). 5.
S. H.
Chun
, Y. S.
Chai
, B.-G.
Jeon
, H. J.
Kim
, Y. S.
Oh
, I.
Kim
, H.
Kim
, B. J.
Jeon
, S. Y.
Haam
, J.-Y.
Park
, S. H.
Lee
, J.-H.
Chung
, J.-H.
Park
, and K. H.
Kim
, Phys. Rev. Lett.
108
, 177201
(2012
). 6.
V.
Kocsis
, T.
Nakajima
, M.
Matsuda
, A.
Kikkawa
, Y.
Kaneko
, J.
Takashima
, K.
Kakurai
, T.
Arima
, F.
Kagawa
, Y.
Tokunaga
, Y.
Tokura
, and Y.
Taguchi
, Nat. Commun.
10
, 1247
(2019
). 7.
K.
Tachiyama
, S.
Yasui
, B. N. A.
Rao
, T.
Dazai
, T.
Usami
, T.
Taniyama
, T.
Katayama
, Y.
Hamasaki
, J.
Yu
, H.
He
, H.
Wang
, and M.
Itoh
, MRS Adv.
4
, 61
(2019
).8.
H.
Naganuma
, J.
Miura
, and S.
Okamura
, Appl. Phys. Lett.
93
, 052901
(2008
). 9.
H.
Naganuma
, S.
Yasui
, K.
Nishida
, T.
Iijima
, H.
Funakubo
, and S.
Okamura
, J. Appl. Phys.
109
, 07D917
(2011
). 10.
C. A. F.
Vaz
, Y.
Sega
, J.
Hoffman
, R. D.
Grober
, F. J.
Walker
, and C. H.
Ahn
, Appl. Phys. Lett.
97
, 042506
(2010
). 11.
G.
Venkataiah
, E.
Wada
, H.
Taniguchi
, M.
Itoh
, and T.
Taniyama
, J. Appl. Phys.
113
, 17C701
(2013
). 12.
G.
Radaelli
, D.
Petti
, E.
Plekhanov
, I.
Fina
, P.
Torelli
, B. R.
Salles
, M.
Cantoni
, C.
Rinaldi
, D.
Gutiérrez
, G.
Panaccione
, M.
Varela
, S.
Picozzi
, J.
Fontcuberta
, and R.
Bertacco
, Nat. Commun.
5
, 3404
(2014
). 13.
T.
Zhao
, A.
Scholl
, F.
Zavaliche
, K.
Lee
, M.
Barry
, A.
Doran
, M. P.
Cruz
, Y. H.
Chu
, C.
Ederer
, N. A.
Spaldin
, R. R.
Das
, D. M.
Kim
, S. H.
Baek
, C. B.
Eom
, and R.
Ramesh
, Nat. Mater.
5
, 823
(2006
). 14.
K.
Sone
, H.
Naganuma
, M.
Ito
, T.
Miyazaki
, T.
Nakajima
, and S.
Okamura
, Sci. Rep.
5
, 09348
(2015
). 15.
T.
Gao
, X.
Zhang
, W.
Ratcliff
, S.
Maruyama
, M.
Murakami
, A.
Varatharajan
, Z.
Yamani
, P.
Chen
, K.
Wang
, H.
Zhang
, R.
Shull
, L. A.
Bendersky
, J.
Unguris
, R.
Ramesh
, and I.
Takeuchi
, Nano Lett.
17
, 2825
(2017
). 16.
V.
Garcia
, M.
Bibes
, L.
Bocher
, S.
Valencia
, F.
Kronast
, A.
Crassous
, X.
Moya
, S.
Enouz -Vedrenne
, A.
Gloter
, D.
Imhoff
, C.
Deranlot
, N. D.
Mathur
, S.
Fusil
, K.
Bouzehouane
, and A.
Barthélémy
, Science
327
, 1106
(2010
). 17.
F. Y.
Bruno
, M. N.
Grisolia
, C.
Visani
, S.
Valencia
, M.
Varela
, R.
Abrudan
, J.
Tornos
, A.
Rivera -Calzada
, A. A.
Unal
, S. J.
Pennycook
, Z.
Sefrioui
, C.
Leon
, J. E.
Villegas
, J.
Santamaria
, A.
Bartheey
, and M.
Bibes
, Nat. Commun.
6
, 6306
(2015
). 18.
D.
Yi
, P.
Yu
, Y.-C.
Chen
, H.-H.
Lee
, Q.
He
, Y.-H.
Chu
, and R.
Ramesh
, Adv. Mater.
31
, 1806335
(2019
). 19.
K.
Hirai
, R.
Aso
, Y.
Ozaki
, D.
Kan
, M.
Haruta
, N.
Ichikawa
, H.
Kurata
, and Y.
Shimakawa
, ACS Appl. Mater. Interfaces
9
, 30143
(2017
). 20.
J.
Zhang
, Z.
Zhong
, X.
Guan
, X.
Shen
, J.
Zhang
, F.
Han
, H.
Zhang
, H.
Zhang
, X.
Yan
, Q.
Zhang
, L.
Gu
, F.
Hu
, R.
Yu
, B.
Shen
, and J.
Sun
, Nat. Commun.
9
, 1923
(2018
). 21.
B. C.
Behera
, S.
Jana
, S. G.
Bhat
, N.
Gauquelin
, G.
Tripathy
, P. S.
Anil Kumar
, and D.
Samal
, Phys. Rev. B
99
, 024425
(2019
). 22.
D.
Castro Vaz
, E.
Lesne
, A.
Sander
, H.
Naganuma
, E.
Jacquet
, J.
Santamaria
, A.
Barthélémy
, and M.
Bibes
, Opt. Mater.
15
, 1700486
(2017
).23.
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
). 24.
H.
Naganuma
and S.
Okamura
, J. Appl. Phys.
101
, 09M103
(2007
). 25.
M.
Hasan
, M. F.
Islam
, R.
Mahbub
, M. S.
Hossain
, and M. A.
Hakim
, Mater. Res. Bull.
73
, 179
(2016
). 26.
K. C.
Verma
and R. K.
Kotnala
, RSC Adv.
6
, 57727
(2016
). 27.
O.
Amiri
, M. R.
Mozdianfar
, M.
Vahid
, M. S.
Niasari
, and S.
Gholamrezaei
, High Temp. Mater. Processes
35
, 551
(2016
). 28.
H.
Naganuma
and I. T.
Bae
, Appl. Phys. Express
8
, 031501
(2015
). 29.
I.-T.
Bae
, H.
Naganuma
, T.
Ichinose
, and K.
Sato
, Phys. Rev. B
93
, 064115
(2016
). 30.
I.-T.
Bae
, A.
Kovács
, H. J.
Zhao
, J.
Íñiguez
, S.
Yasui
, T.
Ichinose
, and H.
Naganuma
, Sci. Rep.
7
, 46498
(2017
). 31.
I.-T.
Bae
, T.
Ichinose
, M.-G.
Han
, Y.
Zhu
, S.
Yasui
, and H.
Naganuma
, Sci. Rep.
8
, 893
(2018
). 32.
I.-T.
Bae
, S.
Yasui
, T.
Ichinose
, M.
Itoh
, T.
Shiraishi
, T.
Kiguchi
, and H.
Naganuma
, J. Appl. Phys.
127
, 245303
(2020
). 33.
I.-T.
Bae
, S.
Yasui
, T.
Ichinose
, M.
Itoh
, T.
Shiraishi
, T.
Kiguchi
, and H.
Naganuma
, Sci. Rep.
9
, 6715
(2019
). 34.
K.
Amemiya
, A.
Toyoshima
, T.
Kikuchi
, T.
Kosuge
, K.
Nigorikawa
, R.
Sumii
, and K.
Ito
, AIP Conf. Proc.
1234
, 295
(2010
). 35.
T.
Harano
, G.
Shibata
, K.
Ishigami
, Y.
Takashashi
, V. K.
Verma
, V. R.
Singh
, T.
Kadono
, A.
Fujimori
, Y.
Takeda
, T.
Okane
, Y.
Saitoh
, H.
Yamagami
, T.
Koide
, H.
Yamada
, A.
Sawa
, M.
Kawasaki
, Y.
Tokura
, and A.
Tanaka
, Appl. Phys. Lett.
102
, 222404
(2013
). 36.
V. R.
Singh
, V. K.
Verma
, K.
Ishigami
, G.
Shibata
, Y.
Yamazaki
, A.
Fujimori
, Y.
Takeda
, T.
Okane
, Y.
Saitoh
, H.
Yamagami
, Y.
Nakamura
, and M.
Azuma
, J. Appl. Phys.
114
, 103905
(2013
). 37.
S.
Staniland
, B.
Ward
, A.
Harrison
, G. V. D.
Laan
, and N.
Telling
, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
104
, 19524
(2007
). 38.
F.
Jiménez-Villacorta
, C.
Prieto
, Y.
Huttel
, N. D.
Telling
, and G.
van der Laan
, Phys. Rev. B
84
, 172404
(2011
). 39.
Y. K.
Wakabayashi
, Y.
Nonaka
, Y.
Takeda
, S.
Sakamoto
, K.
Ikeda
, Z.
Chi
, G.
Shibata
, A.
Tanaka
, Y.
Saitoh
, H.
Yamagami
, M.
Tanaka
, A.
Fujimori
, and R.
Nakane
, Phys. Rev. Mater.
2
, 104416
(2018
). 40.
L.
Cao
, Z.-X.
Jiang
, Y.-H.
Du
, X.-M.
Yin
, S.-B.
Xi
, W.
Wen
, A. P.
Roberts
, A. T. S.
Wee
, Y.-M.
Xiong
, Q.-S.
Liu
, and X.-Y.
Gao
, Environ. Sci. Technol.
51
, 2643
(2017
). 41.
C. I.
Pearce
, C.
Michael
, B.
Henderson
, N. D.
Telling
, R. A. D.
Pattrick
, D. J.
Vaughan
, J. M.
Charnock
, E.
Arenholz
, F.
Tuna
, V. S.
Coker
, and G.
Laan
, Amer. Mineralogist
95
, 425
(2010
). 42.
J.
Everett
, E.
Céspedes
, L. R.
Shelford
, C.
Exley
, J. F.
Collingwood
, J.
Dobson
, G.
van der Laan
, C. A.
Jenkins
, E.
Arenholz
, and N. D.
Telling
, J. R. Soc. Interface
11
, 20140165
(2014
). 43.
C. I.
Pearce
, O.
Qafoku
, J.
Liu
, E.
Arenholz
, S. M.
Heald
, R. K.
Kukkadapu
, C. A.
Gorski
, C. M. B.
Henderson
, and K. M.
Rosso
, J. Colloid Interface Sci.
387
, 24
(2012
). 44.
F.
Yan
, M.-O.
Lai
, L.
Lu
, and T.-J.
Zhu
, J. Phys. Chem. C
114
, 6994
(2010
). 45.
Y. F.
Gong
, P.
Wu
, X.
Hai
, W. F.
Liu
, S. Y.
Wang
, G. Y.
Liu
, and G. H.
Rao
, J. Phys. D Appl. Phys.
45
, 355001
(2012
). 46.
M. T.
Anderson
, J. T.
Vaughey
, and K. R.
Poeppelmeier
, Chem. Mater.
5
, 151
(1993
). 47.
G.
Shibata
, M.
Kitamura
, M.
Minohara
, K.
Yoshimatsu
, T.
Kadono
, K.
Ishigami
, T.
Harano
, Y.
Takahashi
, S.
Sakamoto
, Y.
Nonaka
, K.
Ikeda
, Z.
Chi
, M.
Furuse
, S.
Fuchino
, M.
Okano
, J.
Fujihira
, A.
Uchida
, K.
Watanabe
, H.
Fujihira
, S.
Fujihira
, A.
Tanaka
, H.
Kumigashira
, T.
Koide
, and A.
Fujimor
, NPJ Quantum Mater.
3
, 3
(2018
). 48.
T.
Ichinose
, H.
Naganuma
, T.
Miyazaki
, M.
Oogane
, Y.
Ando
, T.
Uenoe
, N.
Inami
, and K.
Ono
, Mater. Charact.
118
, 37
(2016
). 49.
A. M.
Haghiri-Gosnet
, J.
Wolfman
, B.
Mercey
, C.
Simon
, P.
Lecoeur
, M.
Korzenski
, M.
Hervieu
, R.
Desfeux
, and G.
Baldinozzi
, J. Appl. Phys.
88
, 4257
(2000
). 50.
P.
Perna
, C.
Rodrigo
, E.
Jiménez
, F. J.
Teran
, N.
Mikuszeit
, L.
Méchin
, J.
Camarero
, and R.
Miranda
, J. Appl. Phys.
110
, 013919
(2011
). 51.
S.
Jesse
, A. P.
Baddorf
, and S. V.
Kalinina
, Appl. Phys. Lett.
88
, 062908
(2006
). 52.
N.
Deepak
, P.
Carolan
, L.
Keeney
, P. F.
Zhang
, M. E.
Pemble
, and R. W.
Whatmore
, Cem. Mater.
27
, 6508
(2015
). 53.
S.
Tian
, C.
Wang
, Y.
Zhou
, X.
Li
, P.
Gao
, J.
Wang
, Y.
Feng
, X.
Yao
, C.
Ge
, M.
He
, X.
Bai
, G.
Yang
, and K.
Jin
, ACS Appl. Mater. Interfaces
10
, 43792
(2018
). © 2021 Author(s).
2021
Author(s)
You do not currently have access to this content.
