Room-temperature magnetoelectric multiferroicity has been observed in c-axis oriented GaFeO3 thin films (space group Pna21), grown on economic and technologically important (100)Si substrates by a pulsed laser deposition technique. Structural analysis and comprehensive mapping of the Ga:Fe ratio across a length scale range of 104 reveals coexistence of epitaxial and chemical strain. It induces formation of finer magnetic domains and large magnetoelectric coupling—a decrease in remanent polarization by 21% under 50 kOe. Magnetic force microscopy reveals the presence of both finer (<100 nm) and coarser (2μm) magnetic domains. Strong multiferroicity in epitaxial GaFeO3 thin films, grown on a (100)Si substrate, brighten the prospect of their integration with Si-based electronics and could pave the way for development of economic and more efficient electromechanical, electrooptic, or magnetoelectric sensor devices.

1.
S. K.
Mishra
,
R.
Mittal
,
R.
Singh
,
M.
Zbiri
,
T.
Hansen
, and
H.
Schober
,
J. Appl. Phys.
113
,
174102
(
2013
).
2.
J.
Atanelov
and
P.
Mohn
,
Phys. Rev. B
92
,
104408
(
2015
).
3.
T.
Arima
,
D.
Higashiyama
,
Y.
Kaneko
,
J. P.
He
,
T.
Goto
,
S.
Miyasaka
,
T.
Kimura
,
K.
Oikawa
,
T.
Kamiyama
,
R.
Kumai
, and
Y.
Tokura
,
Phys. Rev. B
70
,
064426
(
2004
).
4.
H.
Niu
,
M. J.
Pitcher
,
A. J.
Corkett
,
S.
Ling
,
P.
Mandal
,
M.
Zanella
,
K.
Dawson
,
P.
Stamenov
,
D.
Batuk
,
A. M.
Abakumov
et al.,
J. Am. Chem. Soc.
139
,
1520
(
2017
).
5.
Z. M.
Zhao
,
F.
An
,
F. G.
Tian
,
Y.
Zhang
,
Q. F.
Zhu
,
L.
Chen
,
G. K.
Zhong
, and
S. H.
Xie
,
J. Appl. Phys.
127
,
134101
(
2020
).
6.
S.
Mukherjee
,
A.
Roy
,
S.
Auluck
,
R.
Prasad
,
R.
Gupta
, and
A.
Garg
,
Phys. Rev. Lett.
111
,
087601
(
2013
).
7.
T. M. N.
Thai
and
H.-J.
Kim
,
New Phys.: Sae Mulli
65
,
230
(
2015
).
8.
D. C.
Kundaliya
,
S. B.
Ogale
,
S.
Dhar
,
K. F.
McDonald
,
E.
Knoesel
,
T.
Osedach
,
S. E.
Lofland
,
S. R.
Shinde
, and
T.
Venkatesan
,
J. Magn. Magn. Mater.
299
,
307
(
2006
).
9.
M.
Trassin
,
N.
Viart
,
G.
Versini
,
J.-L.
Loison
,
J.-P.
Vola
,
G.
Schmerber
,
O.
Cregut
,
S.
Barre
,
G.
Pourroy
,
J. H.
Lee
,
W.
Jo
, and
C.
Mény
,
Appl. Phys. Lett.
91
,
202504
(
2007
).
10.
A.
Roy
,
S.
Mukherjee
,
S.
Sarkar
,
S.
Auluck
,
R.
Prasad
,
R.
Gupta
, and
A.
Garg
,
J. Phys.: Condens. Matter
24
,
435501
(
2012
).
11.
M.
Zhang
,
S.
Yasui
,
T.
Katayama
,
B. N.
Rao
,
H.
Wen
,
X.
Pan
,
M.
Tang
,
F.
Ai
, and
M.
Itoh
,
Materials
12
,
254
(
2019
).
12.
K.
Sharma
,
V. R.
Reddy
,
A.
Gupta
,
R. J.
Choudhary
,
D. M.
Phase
, and
V.
Ganesan
,
Appl. Phys. Lett.
102
,
212401
(
2013
).
13.
T.
Katayama
,
T.
Osakabe
,
S.
Yasui
,
Y.
Hamasaki
,
B. N.
Rao
,
M.
Zhang
, and
M.
Itoh
,
Appl. Phys. Lett.
113
,
162901
(
2018
).
14.
S.
Song
,
H. M.
Jang
,
N.-S.
Lee
,
J. Y.
Son
,
R.
Gupta
,
A.
Garg
,
J.
Ratanapreechachai
, and
J. F.
Scott
,
NPG Asia Mater.
8
,
e242
(
2016
).
15.
S.
Dugu
,
M. K.
Bhattarai
,
S.
Kumari
,
A. A.
Instan
,
D. K.
Pradhan
,
M.
Holcomb
,
J. F.
Scott
, and
R. S.
Katiyar
,
Appl. Surf. Sci.
523
,
146459
(
2020
).
16.
M.
Mishra
,
A.
Roy
,
A.
Garg
,
R.
Gupta
, and
S.
Mukherjee
,
J. Alloys Compd.
721
,
593
(
2017
).
17.
See, for example,
M.
Spreitzer
,
D.
Klement
,
T. P.
Potocnik
,
U.
Trstenjak
,
Z.
Jovanovic
,
M. D.
Nguyen
,
H.
Yuan
,
J.
Evert ten Elshof
,
E.
Houwman
,
G.
Koster
et al,
APL Mater.
9
,
040701
(
2021
).
18.
See, for example,
D. D.
Fong
,
G. B.
Stephenson
,
S. K.
Streiffer
,
J. A.
Eastman
,
O.
Auciello
,
P. H.
Fuoss
, and
C.
Thompson
,
Science
304
,
1650
(
2004
);
[PubMed]
see also
Z.-L.
Yuan
,
Y.
Sun
,
D.
Wang
,
K.-Q.
Chen
, and
L.-M.
Tang
,
J. Phys.: Condens. Matter
33
,
403003
(
2021
).
19.
H.
Ju
,
Y.
Lee
,
K.-T.
Kim
,
I. H.
Choi
,
C. J.
Roh
,
S.
Son
,
P.
Park
,
J. H.
Kim
,
T. S.
Jung
,
J.
Hoon Kim
et al.,
Nano Lett.
21
,
5126
(
2021
).
20.
S.
Yuan
,
X.
Luo
,
H. L.
Chan
,
C.
Xiao
,
Y.
Dai
,
M.
Xie
, and
J.
Hao
,
Nat. Commun.
10
,
1775
(
2019
).
21.
S.
Homkar
,
D.
Preziosi
,
X.
Devaux
,
C.
Bouillet
,
J.
Nordlander
,
M.
Trassin
,
F.
Roulland
,
C.
Lefevre
,
G.
Versini
,
S.
Barre
et al.,
Phys. Rev. Mater.
3
,
124416
(
2019
).
22.
See, for example,
Q.
Jiang
and
H.
Qu
,
J. Appl. Phys.
99
,
103901
(
2006
) and all the relevant references therein.
23.
J. P.
Remeika
,
J. Appl. Phys.
31
,
S263
(
1960
).
24.
C. H.
Nowlin
and
R. V.
Jones
,
J. Appl. Phys.
34
,
1262
(
1963
).
25.
U.
Chowdhury
,
S.
Goswami
,
D.
Bhattacharya
,
A.
Midya
, and
P.
Mandal
,
Appl. Phys. Lett.
109
,
092902
(
2016
).
26.
See, for example,
Q.
Deng
,
S.
Lv
,
Z.
Li
,
K.
Tan
,
X.
Liang
, and
S.
Shen
,
J. Appl. Phys.
128
,
080902
(
2020
).
27.
P.
Lukashev
and
R. F.
Sabirianov
,
Phys. Rev. B
82
,
094417
(
2010
).
28.
See, for example,
W.
Peng
,
J.
Mun
,
Q.
Xie
,
J.
Chen
,
L.
Wang
,
M.
Kim
, and
T. W.
Noh
,
npj Quantum Mater.
6
,
48
(
2021
).
29.
See, for example,
S.
Mao
and
P. K.
Purohit
,
J. Mech. Phys. Solids
84
,
95
(
2015
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.