A single crystal of Fe (0.3%)-doped BaTiO3 was grown by a top-seeded solution growth method, and the photovoltaic (PV) properties (at 3.1 eV) in a multi-domain state with a 90° domain structure are investigated. We show that the overall behavior can be well understood by an analytical expression of the domain wall (DW)-PV effect superimposed on the bulk-PV effect. The fitting of photocurrents as a function of light polarization reveals that the offset component of the DW-PV effect is much larger than that of the bulk-PV effect, even though the volume fraction of the DW region is extremely small. A local electric field in the DW region is estimated to be several hundred kV cm−1, which is three orders of magnitude higher than the effective field inside the domains.

1.
J. F.
Scott
,
Science
315
, 954 (
2007
).
2.
G.
Catalan
and
J. F.
Scott
,
Adv. Mater.
21
,
2463
(
2009
).
3.
S.
Zhang
and
F.
Li
,
J. Appl. Phys.
111
,
031301
(
2012
).
4.
S.
Zhang
,
F.
Li
,
X.
Jiang
,
J.
Kim
,
J.
Luo
, and
X.
Geng
,
Prog. Mater. Sci.
68
,
1
(
2015
).
5.
S. K.
Streiffer
,
C. B.
Parker
,
A. E.
Romanov
,
M. J.
Lefevre
,
L.
Zhao
,
J. S.
Speck
,
W.
Pompe
,
C. M.
Foster
, and
G. R.
Bai
,
J. Appl. Phys.
83
,
2742
(
1998
).
6.
N. A.
Pertsev
,
A. G.
Zembilgotov
, and
A. K.
Tagantsev
,
Phys. Rev. Lett.
80
,
1988
(
1998
).
7.
W. J.
Merz
,
Phys. Rev.
95
,
690
(
1954
).
8.
M.
Frey
and
D.
Payne
,
Phys. Rev. B
54
,
3158
(
1996
).
9.
E. A.
Little
,
Phys. Rev.
98
,
978
(
1955
).
10.
M.
Tanaka
and
G.
Honjo
,
J. Phys. Soc. Jpn.
19
,
954
(
1964
).
11.
M. D.
Dennis
and
R. C.
Bradt
,
J. Appl. Phys.
45
,
1931
(
1974
).
12.
Q.
Zhang
and
W. A.
Goddard
,
Appl. Phys. Lett.
89
,
182903
(
2006
).
13.
F.
Tsai
,
V.
Khiznichenko
, and
J. M.
Cowley
,
Ultramicroscopy
45
,
55
(
1992
).
14.
X.
Zhang
,
T.
Hashimoto
, and
D. C.
Joy
,
Appl. Phys. Lett.
60
,
784
(
1992
).
15.
N.
Floquet
and
C.
Valot
,
Ferroelectrics
234
,
107
(
1999
).
16.
J. E.
Spanier
,
V. M.
Fridkin
,
A. M.
Rappe
,
A. R.
Akbashev
,
A.
Polemi
,
Y.
Qi
,
Z.
Gu
,
S. M.
Young
,
C. J.
Hawley
,
D.
Imbrenda
,
G.
Xiao
,
A. L.
Bennett-Jackson
, and
C. L.
Johnson
,
Nat. Photonics
10
,
611
(
2016
).
17.
W. T. H.
Koch
,
R.
Munser
,
W.
Ruppel
, and
P.
Würfel
,
Solid State Commun.
17
,
847
(
1975
).
18.
W. T. H.
Koch
,
R.
Munser
,
W.
Ruppel
, and
P.
Würfel
,
Ferroelectrics
13
,
305
(
1976
).
19.
A.
Zenkevich
,
Y.
Matveyev
,
K.
Maksimova
,
R.
Gaynutdinov
,
A.
Tolstikhina
, and
V.
Fridkin
,
Phys. Rev. B
90
,
161409
(
2014
).
20.
R.
Inoue
,
S.
Ishikawa
,
Y.
Kitanaka
,
T.
Oguchi
,
Y.
Noguchi
, and
M.
Miyayama
,
Jpn. J. Appl. Phys.
52
,
09KF03
(
2013
).
21.
R.
Inoue
,
S.
Ishikawa
,
R.
Imura
,
Y.
Kitanaka
,
T.
Oguchi
,
Y.
Noguchi
, and
M.
Miyayama
,
Sci. Rep.
5
,
14741
(
2015
).
22.
S. H.
Wemple
,
Phys. Rev. B
2
,
2679
(
1970
).
23.
M.
Cardona
,
Phys. Rev.
140
,
A651
(
1965
).
24.
A. M.
Glass
,
D.
von der Linde
, and
T. J.
Negran
,
Appl. Phys. Lett.
25
,
233
(
1974
).
25.
H. G.
Festl
,
P.
Hertel
,
E.
Krätzig
, and
R.
von Baltz
,
Phys. Status Solidi
113
,
157
(
1982
).
26.
R.
Inoue
,
S.
Takahashi
,
Y.
Kitanaka
,
T.
Oguchi
,
Y.
Noguchi
, and
M.
Miyayama
,
Phys. Status Solidi
212
,
2968
(
2015
).
27.
K.
Uchino
,
Y.
Miyazawa
, and
S.
Nomura
,
Jpn. J. Appl. Phys.
21
,
1671
(
1982
).
28.
M.
Qin
,
K.
Yao
, and
Y. C.
Liang
,
Appl. Phys. Lett.
93
,
122904
(
2008
).
29.
A.
Kholkin
,
O.
Boiarkine
, and
N.
Setter
,
Appl. Phys. Lett.
72
,
130
(
1998
).
30.
S. M.
Young
and
A. M.
Rappe
,
Phys. Rev. Lett.
109
,
116601
(
2012
).
31.
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
,
L. W.
Martin
, and
R.
Ramesh
,
Nat. Nanotechnol.
5
,
143
(
2010
).
32.
A.
Bhatnagar
,
A.
Roy Chaudhuri
,
Y.
Heon Kim
,
D.
Hesse
, and
M.
Alexe
,
Nat. Commun.
4
,
2835
(
2013
).
33.
H.
Matsuo
,
Y.
Kitanaka
,
R.
Inoue
,
Y.
Noguchi
,
M.
Miyayama
,
T.
Kiguchi
, and
T. J.
Konno
,
Phys. Rev. B
94
,
214111
(
2016
).
34.
H.
Matsuo
,
Y.
Noguchi
, and
M.
Miyayama
,
Nat. Commun.
8
,
207
(
2017
).
35.
H.
Matsuo
,
Y.
Kitanaka
,
R.
Inoue
,
Y.
Noguchi
, and
M.
Miyayama
,
J. Appl. Phys.
118
,
114101
(
2015
).
36.
J. F.
Ihlefeld
,
N. J.
Podraza
,
Z. K.
Liu
,
R. C.
Rai
,
X.
Xu
,
T.
Heeg
,
Y. B.
Chen
,
J.
Li
,
R. W.
Collins
,
J. L.
Musfeldt
,
X. Q.
Pan
,
J.
Schubert
,
R.
Ramesh
, and
D. G.
Schlom
,
Appl. Phys. Lett.
92
,
142908
(
2008
).
37.
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
).
38.
Y.
Noguchi
,
H.
Matsuo
,
Y.
Kitanaka
, and
M.
Miyayama
,
Sci. Rep.
9
,
4225
(
2019
).
39.
J.
Seidel
,
D.
Fu
,
S.-Y.
Yang
,
E.
Alarcón-Lladó
,
J.
Wu
,
R.
Ramesh
, and
J. W.
Ager
,
Phys. Rev. Lett.
107
,
126805
(
2011
).
40.
G.
Zhang
,
H.
Wu
,
G.
Li
,
Q.
Huang
,
C.
Yang
,
F.
Huang
,
F.
Liao
, and
J.
Lin
,
Sci. Rep.
3
,
1265
(
2013
).
41.
W. S.
Choi
,
M. F.
Chisholm
,
D. J.
Singh
,
T.
Choi
,
G. E.
Jellison
, and
H. N.
Lee
,
Nat. Commun.
3
,
689
(
2012
).
42.
H.
An
,
J. Y.
Han
,
B.
Kim
,
J.
Song
,
S. Y.
Jeong
,
C.
Franchini
,
C. W.
Bark
, and
S.
Lee
,
Sci. Rep.
6
,
28313
(
2016
).
43.
I.
Grinberg
,
D. V.
West
,
M.
Torres
,
G.
Gou
,
D. M.
Stein
,
L.
Wu
,
G.
Chen
,
E. M.
Gallo
,
A. R.
Akbashev
,
P. K.
Davies
,
J. E.
Spanier
, and
A. M.
Rappe
,
Nature
503
,
509
(
2013
).
44.
R.
Nechache
,
C.
Harnagea
,
S.
Li
,
L.
Cardenas
,
W.
Huang
,
J.
Chakrabartty
, and
F.
Rosei
,
Nat. Photonics
9
,
61
(
2015
).
45.
S. M.
Young
,
F.
Zheng
, and
A. M.
Rappe
,
Phys. Rev. Lett.
109
,
236601
(
2012
).
46.
Y.
Noguchi
,
Y.
Taniguchi
,
R.
Inoue
, and
M.
Miyayama
,
Nat. Commun.
11
,
1
(
2020
).
47.
K.
Momma
and
F.
Izumi
,
J. Appl. Crystallogr.
44
,
1272
(
2011
).
48.
H.
Simons
,
A. B.
Haugen
,
A. C.
Jakobsen
,
S.
Schmidt
,
F.
Stöhr
,
M.
Majkut
,
C.
Detlefs
,
J. E.
Daniels
,
D.
Damjanovic
, and
H. F.
Poulsen
,
Nat. Mater.
17
,
814
(
2018
).
You do not currently have access to this content.