Polarization-dependent photoemission electron microscopy (PD-PEEM) exploits spatial variation in the optical selection rules of materials to image domain formation and material organization on the nanoscale. In this Perspective, we discuss the mechanism of PD-PEEM that results in the observed image contrast in experiments and provide examples of a wide range of material domain structures that PD-PEEM has been able to elucidate, including molecular and polymer domains, local electronic structure and defect symmetry, (anti)ferroelectricity, and ferromagnetism. In the end, we discuss challenges and new directions that are possible with this tool for probing domain structure in materials, including investigating the formation of transient ordered states, multiferroics, and the influence of molecular and polymer order and disorder on excited state dynamics and charge transport.
REFERENCES
1.
R.
Noriega
, J.
Rivnay
, K.
Vandewal
, F. P. V.
Koch
, N.
Stingelin
, P.
Smith
, M. F.
Toney
, and A.
Salleo
, Nat. Mater.
12
, 1038
(2013
).2.
A.
Neff
, F.
Niefind
, B.
Abel
, S. C. B.
Mannsfeld
, and K. R.
Siefermann
, Adv. Mater.
29
, 1701012
(2017
).3.
K.
Lu
, Nat. Rev. Mater.
1
, 16019
(2016
).4.
A. K.
Tagantsev
, L. E.
Cross
, and J.
Fousek
, Domains in Ferroic Crystals and Thin Films
(Springer
, New York
, 2010
).5.
C. M.
Schneider
and G.
Schnhense
, Rep. Prog. Phys.
65
, 1785
(2002
).6.
J.
Rivnay
, L. H.
Jimison
, J. E.
Northrup
, M. F.
Toney
, R.
Noriega
, S.
Lu
, T. J.
Marks
, A.
Facchetti
, and A.
Salleo
, Nat. Mater.
8
, 952
–958
(2009
).7.
S. S.
Cheema
, N.
Shanker
, S.-L.
Hsu
, J.
Schaadt
, N. M.
Ellis
, M.
Cook
, R.
Rastogi
, R. C. N.
Pilawa-Podgurski
, J.
Ciston
, M.
Mohamed
, and S.
Salahuddin
, Nature
629
, 803
(2024
).8.
Y.
Cho
, K.
Fujimoto
, Y.
Hiranaga
, Y.
Wagatsuma
, A.
Onoe
, K.
Terabe
, and K.
Kitamura
, Appl. Phys. Lett.
81
, 4401
(2002
).9.
A. V.
Ievlev
and S. V.
Kalinin
, Nanoscale
7
, 11040
(2015
).10.
F.
Risch
, Y.
Tikhonov
, I.
Lukyanchuk
, A. M.
Ionescu
, and I.
Stolichnov
, Nat. Commun.
13
, 7239
(2022
).11.
P. D.
Lomenzo
, S.
Li
, B.
Xu
, T.
Mikolajick
, and U.
Schroeder
, IEEE Sens. J.
24
, 12050
(2024
).12.
S.
Wan
, Q.
Peng
, Z.
Wu
, and Y.
Zhou
, ACS Appl. Mater. Interfaces
14
, 25693
(2022
).13.
M. E.
Ziebel
, M. L.
Feuer
, J.
Cox
, X.
Zhu
, C. R.
Dean
, and X.
Roy
, Nano Lett.
24
, 4319
(2024
).14.
E.
Meirzadeh
, I.
Azuri
, Y.
Qi
, D.
Ehre
, A. M.
Rappe
, M.
Lahav
, L.
Kronik
, and I.
Lubomirsky
, Nat. Commun.
7
, 13351
(2016
).15.
H.
Tanaka
, A.
Wakamatsu
, M.
Kondo
, S.
Kawamura
, S.-i.
Kuroda
, Y.
Shimoi
, W.-T.
Park
, Y.-Y.
Noh
, and T.
Takenobu
, Commun. Phys.
2
, 96
(2019
).16.
Q.
Li
, M.
Yang
, C.
Gong
, R. V.
Chopdekar
, A. T.
N’Diaye
, J.
Turner
, G.
Chen
, A.
Scholl
, P.
Shafer
, E.
Arenholz
, A. K.
Schmid
, S.
Wang
, K.
Liu
, N.
Gao
, A. S.
Admasu
, S.-W.
Cheong
, C.
Hwang
, J.
Li
, F.
Wang
, X.
Zhang
, and Z.
Qiu
, Nano Lett.
18
, 5974
(2018
).17.
M.
Giraldo
, Q. N.
Meier
, A.
Bortis
, D.
Nowak
, N. A.
Spaldin
, M.
Fiebig
, M. C.
Weber
, and T.
Lottermoser
, Nat. Commun.
12
, 3093
(2021
).18.
H. J.
Kim
, J. W.
Kim
, H. H.
Lee
, T.-M.
Kim
, J.
Jang
, and J.-J.
Kim
, J. Phys. Chem. Lett.
2
, 1710
(2011
).19.
S.
Nishikata
, G.
Sazaki
, J. T.
Sadowski
, A.
Al-Mahboob
, T.
Nishihara
, Y.
Fujikawa
, S.
Suto
, T.
Sakurai
, and K.
Nakajima
, Phys. Rev. B
76
, 165424
(2007
).20.
L. V.
de Groot
, K.
Fabian
, I. A.
Bakelaar
, and M. J.
Dekkers
, Nat. Commun.
5
, 4548
(2014
).21.
C.
Cui
, W.-J.
Hu
, X.
Yan
, C.
Addiego
, W.
Gao
, Y.
Wang
, Z.
Wang
, L.
Li
, Y.
Cheng
, P.
Li
, X.
Zhang
, H. N.
Alshareef
, T.
Wu
, W.
Zhu
, X.
Pan
, and L.-J.
Li
, Nano Lett.
18
, 1253
(2018
).22.
J. M.
Atkin
, S.
Berweger
, A. C.
Jones
, and M. B.
Raschke
, Adv. Phys.
61
, 745
–842
(2012
).23.
A. A.
Govyadinov
, S.
Mastel
, F.
Golmar
, A.
Chuvilin
, P. S.
Carney
, and R.
Hillenbrand
, ACS Nano
8
, 6911
(2014
).24.
25.
A.
Gruverman
, M.
Alexe
, and D.
Meier
, Nat. Commun.
10
, 1661
(2019
).26.
C.
Xu
, J.
Mao
, X.
Guo
, S.
Yan
, Y.
Chen
, T. W.
Lo
, C.
Chen
, D.
Lei
, X.
Luo
, J.
Hao
, C.
Zheng
, and Y.
Zhu
, Nat. Commun.
12
, 3665
(2021
).27.
S.-W.
Cheong
, M.
Fiebig
, W.
Wu
, L.
Chapon
, and V.
Kiryukhin
, npj Quantum Mater.
5
, 3
(2020
).28.
G.
Nordahl
and M.
Nord
, Microsc. Microanal.
29
, 574
(2023
).29.
E.
Gati
, Y.
Inagaki
, T.
Kong
, R. J.
Cava
, Y.
Furukawa
, P. C.
Canfield
, and S. L.
Bud’ko
, Phys. Rev. B
100
, 094408
(2019
).30.
M.
Ilett
, M.
S’ari
, H.
Freeman
, Z.
Aslam
, N.
Koniuch
, M.
Afzali
, J.
Cattle
, R.
Hooley
, T.
Roncal-Herrero
, S. M.
Collins
, N.
Hondow
, A.
Brown
, and R.
Brydson
, Philos. Trans. R. Soc., A
378
, 20190601
(2020
).31.
P.
Schädlich
, F.
Speck
, C.
Bouhafs
, N.
Mishra
, S.
Forti
, C.
Coletti
, and T.
Seyller
, Adv. Mater. Interfaces
8
, 2002025
(2021
).32.
C.
Zheng
, L.
Yu
, L.
Zhu
, J. L.
Collins
, D.
Kim
, Y.
Lou
, C.
Xu
, M.
Li
, Z.
Wei
, Y.
Zhang
, M. T.
Edmonds
, S.
Li
, J.
Seidel
, Y.
Zhu
, J. Z.
Liu
, W.-X.
Tang
, and M. S.
Fuhrer
, Sci. Adv.
4
, eaar7720
(2018
).33.
M. J.
Prieto
and T.
Schmidt
, Catal. Lett.
147
, 2487
(2017
).34.
P.
Kahl
, S.
Wall
, C.
Witt
, C.
Schneider
, D.
Bayer
, A.
Fischer
, P.
Melchior
, M.
Horn-von Hoegen
, M.
Aeschlimann
, and F. J.
Meyer zu Heringdorf
, Plasmonics
9
, 1401
–1407
(2014
).35.
J.
Seo
, H.-H.
Nahm
, H.-S.
Park
, S.
Yun
, J. H.
Lee
, Y.-J.
Kim
, Y.-H.
Kim
, and C.-H.
Yang
, Phys. Rev. B
108
, 014103
(2023
).36.
G. F.
Nataf
and M.
Guennou
, J. Phys.: Condens. Matter
32
, 183001
(2020
).37.
I.
Gaponenko
, S.
Cherifi-Hertel
, U.
Acevedo-Salas
, N.
Bassiri-Gharb
, and P.
Paruch
, Sci. Rep.
12
, 165
(2022
).38.
M.
Delor
, H. L.
Weaver
, Q.
Yu
, and N. S.
Ginsberg
, Nat. Mater.
19
, 56
(2020
).39.
Z.
Guo
, Y.
Wan
, M.
Yang
, J.
Snaider
, K.
Zhu
, and L.
Huang
, Science
356
, 59
(2017
).40.
M.
Dąbrowski
, Y.
Dai
, and H.
Petek
, Chem. Rev.
120
, 6247
(2020
).41.
T. J.
Davis
, D.
Janoschka
, P.
Dreher
, B.
Frank
, F.-J.
Meyer Zu Heringdorf
, and H.
Giessen
, Science
368
, eaba6415
(2020
).42.
R.
Tromp
, J.
Hannon
, A.
Ellis
, W.
Wan
, A.
Berghaus
, and O.
Schaff
, Ultramicroscopy
110
, 852
(2010
).43.
J. L.
Spellberg
, L.
Kodaimati
, P. P.
Joshi
, N.
Mirzajani
, L.
Liang
, and S. B.
King
, Sci. Adv.
10
, eado2136
(2024
).44.
J.
Miyawaki
, S.
Yamamoto
, Y.
Hirata
, M.
Horio
, Y.
Harada
, and I.
Matsuda
, AAPPS Bull.
31
, 25
(2021
).45.
G. C.
Schatz
and M. A.
Ratner
, Quantum Mechanics in Chemistry
, 1st ed. (Dover Publications
, New York
, 2002
).46.
A.
Szabo
and N. S.
Ostlund
, Modern Quantum Chemistry: Introduction to Advanced Electronic Structure Theory
(Dover Publications
, New York
, 1996
).47.
K.
Sato
and T.
Ishibashi
, Front. Phys.
10
, 946515
(2022
).48.
D. C.
Harris
and M. D.
Bertolucci
, Symmetry and Spectroscopy: An Introduction to Vibrational and Electronic Spectroscopy
(Dover Publications, Inc.
, 1989
).49.
P.
Li
and I.
Appelbaum
, Phys. Rev. B
90
, 115439
(2014
).50.
X.
Ling
, S.
Huang
, E. H.
Hasdeo
, L.
Liang
, W. M.
Parkin
, Y.
Tatsumi
, A. R. T.
Nugraha
, A. A.
Puretzky
, P. M.
Das
, B. G.
Sumpter
, D. B.
Geohegan
, J.
Kong
, R.
Saito
, M.
Drndic
, V.
Meunier
, and M. S.
Dresselhaus
, Nano Lett.
16
, 2260
(2016
).51.
P. M.
Beaujuge
and J. M. J.
Fréchet
, J. Am. Chem. Soc.
133
, 20009
(2011
).52.
Z.
Guo
, D.
Lee
, R. D.
Schaller
, X.
Zuo
, B.
Lee
, T.
Luo
, H.
Gao
, and L.
Huang
, J. Am. Chem. Soc.
136
, 10024
(2014
).53.
P. P.
Joshi
, R.
Li
, J. L.
Spellberg
, L.
Liang
, and S. B.
King
, Nano Lett.
22
, 3180
(2022
).54.
F.
Niefind
, A.
Neff
, S. C. B.
Mannsfeld
, A.
Kahnt
, and B.
Abel
, Phys. Chem. Chem. Phys.
21
, 21464
(2019
).55.
F.
Niefind
, S.
Karande
, F.
Frost
, B.
Abel
, and A.
Kahnt
, Nanoscale Adv.
1
, 3883
(2019
).56.
F. Crameri
, Scientific colour maps, 2023
.57.
F.
Crameri
, G. E.
Shephard
, and P. J.
Heron
, Nat. Commun.
11
, 5444
(2020
).58.
S.
Polisetty
, J.
Zhou
, J.
Karthik
, A. R.
Damodaran
, D.
Chen
, A.
Scholl
, L. W.
Martin
, and M.
Holcomb
, J. Phys.: Condens. Matter
24
, 245902
(2012
).59.
S.
Biswas
, J.
Wong
, S.
Pokawanvit
, W.-C. D.
Yang
, H.
Zhang
, H.
Akbari
, K.
Watanabe
, T.
Taniguchi
, A. V.
Davydov
, F. H.
da Jornada
, and H. A.
Atwater
, ACS Nano
17
, 23692
(2023
).60.
X.
Xu
, Q.
Song
, H.
Wang
, P.
Li
, K.
Zhang
, Y.
Wang
, K.
Yuan
, Z.
Yang
, Y.
Ye
, and L.
Dai
, ACS Appl. Mater. Interfaces
9
, 12601
(2017
).61.
S.
Puebla
, R.
D’Agosta
, G.
Sanchez-Santolino
, R.
Frisenda
, C.
Munuera
, and A.
Castellanos-Gomez
, npj 2D Mater. Appl.
5
, 37
(2021
).62.
C.
Dias
and D.
Das-Gupta
, J. Appl. Phys.
74
, 6317
(1993
).63.
R. K.
Vasudevan
, N.
Balke
, P.
Maksymovych
, S.
Jesse
, and S. V.
Kalinin
, Appl. Phys. Rev.
4
, 021302
(2017
).64.
K.
Chang
, F.
Küster
, B. J.
Miller
, J.-R.
Ji
, J.-L.
Zhang
, P.
Sessi
, S.
Barraza-Lopez
, and S. S.
Parkin
, Nano Lett.
20
, 6590
(2020
).65.
Z.
Chen
, W.
Fu
, L.
Wang
, W.
Yu
, H.
Li
, C. K. Y.
Tan
, I.
Abdelwahab
, Y.
Shao
, C.
Su
, M.
Sun
, B.
Huang
, and K. P.
Loh
, Adv. Sci.
8
, 2100713
(2021
).66.
J.
Gonnissen
, D.
Batuk
, G. F.
Nataf
, L.
Jones
, A. M.
Abakumov
, S.
Van Aert
, D.
Schryvers
, and E. K.
Salje
, Adv. Funct. Mater.
26
, 7599
(2016
).67.
H.
Schmid
, Ferroelectric Ceramics: Tutorial Reviews, Theory, Processing, and Applications
(Springer
, 1993
), pp. 107
–126
.68.
N.
Barrett
, J. E.
Rault
, J. L.
Wang
, C.
Mathieu
, A.
Locatelli
, T. O.
Mentes
, M. A.
Niño
, S.
Fusil
, M.
Bibes
, A.
Barthélémy
, D.
Sando
, W.
Ren
, S.
Prosandeev
, L.
Bellaiche
, B.
Vilquin
, A.
Petraru
, I. P.
Krug
, and C. M.
Schneider
, J. Appl. Phys.
113
, 187217
(2013
).69.
A.
Sander
, M.
Christl
, C.-T.
Chiang
, M.
Alexe
, and W.
Widdra
, J. Appl. Phys.
118
, 224102
(2015
).70.
M. B.
Holcomb
, L. W.
Martin
, A.
Scholl
, Q.
He
, P.
Yu
, C.-H.
Yang
, S. Y.
Yang
, P.-A.
Glans
, M.
Valvidares
, M.
Huijben
, J. B.
Kortright
, J.
Guo
, Y.-H.
Chu
, and R.
Ramesh
, Phys. Rev. B
81
, 134406
(2010
).71.
T.
Taniuchi
, Y.
Motoyui
, K.
Morozumi
, T. C.
Rödel
, F.
Fortuna
, A. F.
Santander-Syro
, and S.
Shin
, Nat. Commun.
7
, 11781
(2016
).72.
M.
Kronseder
, J.
Minár
, J.
Braun
, S.
Günther
, G.
Woltersdorf
, H.
Ebert
, and C. H.
Back
, Phys. Rev. B
83
, 132404
(2011
).73.
E.
Elahi
, G.
Dastgeer
, G.
Nazir
, S.
Nisar
, M.
Bashir
, H.
Akhter Qureshi
, D.-k.
Kim
, J.
Aziz
, M.
Aslam
, K.
Hussain
, M. A.
Assiri
, and M.
Imran
, Comput. Mater. Sci.
213
, 111670
(2022
).74.
A. V.
Papavasileiou
, M.
Menelaou
, K. J.
Sarkar
, Z.
Sofer
, L.
Polavarapu
, and S.
Mourdikoudis
, Adv. Funct. Mater.
34
, 2309046
(2024
).75.
Q. H.
Wang
, A.
Bedoya-Pinto
, M.
Blei
, A. H.
Dismukes
, A.
Hamo
, S.
Jenkins
, M.
Koperski
, Y.
Liu
, Q.-C.
Sun
, E. J.
Telford
, H. H.
Kim
, M.
Augustin
, U.
Vool
, J.-X.
Yin
, L. H.
Li
, A.
Falin
, C. R.
Dean
, F.
Casanova
, R. F. L.
Evans
, M.
Chshiev
, A.
Mishchenko
, C.
Petrovic
, R.
He
, L.
Zhao
, A. W.
Tsen
, B. D.
Gerardot
, M.
Brotons-Gisbert
, Z.
Guguchia
, X.
Roy
, S.
Tongay
, Z.
Wang
, M. Z.
Hasan
, J.
Wrachtrup
, A.
Yacoby
, A.
Fert
, S.
Parkin
, K. S.
Novoselov
, P.
Dai
, L.
Balicas
, and E. J. G.
Santos
, ACS Nano
16
, 6960
(2022
).76.
E.
Bauer
, R.
Belkhou
, S.
Cherifi
, A.
Locatelli
, A.
Pavlovska
, and N.
Rougemaille
, J. Vac. Sci. Technol. B
25
, 1470
(2007
).77.
H.
Ebert
, Rep. Prog. Phys.
59
, 1665
(1996
).78.
C.
Zhou
, J.
Xu
, T.
Wu
, and Y.
Wu
, APL Mater.
11
, 080902
(2023
).79.
T.
Nakagawa
and T.
Yokoyama
, J. Electron Spectrosc. Relat. Phenom.
185
, 356
(2012
).80.
K.
Hild
, G.
Schönhense
, H. J.
Elmers
, T.
Nakagawa
, T.
Yokoyama
, K.
Tarafder
, and P. M.
Oppeneer
, Phys. Rev. B
82
, 195430
(2010
).81.
G. K. L.
Marx
, H. J.
Elmers
, and G.
Schönhense
, Phys. Rev. Lett.
84
, 5888
(2000
).82.
W.
Kuch
and C. M.
Schneider
, Rep. Prog. Phys.
64
, 147
(2001
).83.
J.
Henk
, T.
Scheunemann
, S. V.
Halilov
, and R.
Feder
, J. Phys.: Condens. Matter
8
, 47
(1996
).84.
T.
Jauk
, H.
Hampel
, J.
Walowski
, K.
Komatsu
, J.
Kredl
, E. I.
Harris-Lee
, J. K.
Dewhurst
, M.
Münzenberg
, S.
Shallcross
, S.
Sharma
, and M.
Schultze
, arXiv.2405.12690 (2024
).85.
J.
Chen
, T.
Eul
, L.
Lyu
, Y.
Li
, X.
Hu
, X.
Ning
, S.
Wang
, M.
Aeschlimann
, and Q.
Gong
, Opto-Electron. Sci.
1
, 210011
(2022
).86.
R.
Fujita
, P.
Bassirian
, Z.
Li
, Y.
Guo
, M. A.
Mawass
, F.
Kronast
, G.
Van Der Laan
, and T.
Hesjedal
, ACS Nano
16
, 10545
(2022
).87.
H.
Zhang
, R.
Chen
, K.
Zhai
, X.
Chen
, L.
Caretta
, X.
Huang
, R. V.
Chopdekar
, J.
Cao
, J.
Sun
, J.
Yao
, R.
Birgeneau
, and R.
Ramesh
, Phys. Rev. B
102
, 064417
(2020
).88.
W.
Ge
, R.
Beanland
, M.
Alexe
, Q.
Ramasse
, and A. M.
Sanchez
, Microstructures
3
, 2023026
(2023
).89.
K. M.
Boergens
, G.
Wildenberg
, R.
Li
, L.
Lambert
, A.
Moradi
, G.
Stam
, R.
Tromp
, S. J. v. d.
Molen
, S. B.
King
, and N.
Kasthuri
, bioRxiv:09.05.556423 (2023
).90.
R.
Li
, G.
Wildenberg
, K.
Boergens
, Y.
Yang
, K.
Weber
, J.
Rieber
, A.
Arcidiacono
, R.
Klie
, N.
Kasthuri
, and S. B.
King
, ChemBioChem
2024
, e202400311
.91.
D. M.
Evans
, V.
Garcia
, D.
Meier
, and M.
Bibes
, Phys. Sci. Rev.
5
, 20190067
(2020
).92.
M.
Fiebig
, T.
Lottermoser
, D.
Meier
, and M.
Trassin
, Nat. Rev. Mater.
1
, 16046
(2016
).93.
H.
Wang
, Y.
Wen
, H.
Zeng
, Z.
Xiong
, Y.
Tu
, H.
Zhu
, R.
Cheng
, L.
Yin
, J.
Jiang
, B.
Zhai
, C.
Liu
, C.
Shan
, and J.
He
, “2D ferroic materials for nonvolatile memory applications
,” Adv. Mater.
(published online 2023
).94.
B.
Watts
, T.
Schuettfort
, and C. R.
McNeill
, Adv. Funct. Mater.
21
, 1122
(2011
).95.
L.
Li
, L.
Xie
, and X.
Pan
, Rep. Prog. Phys.
82
, 126502
(2019
).96.
D.
Kumar
, T.
Jin
, R.
Sbiaa
, M.
Kläui
, S.
Bedanta
, S.
Fukami
, D.
Ravelosona
, S.-H.
Yang
, X.
Liu
, and S.
Piramanayagam
, Phys. Rep.
958
, 1
(2022
).97.
J.
Rieger
, A.
Ghosh
, J. L.
Spellberg
, C.
Raab
, A.
Mohan
, P. P.
Joshi
, and S. B.
King
, chemRxiv:2024-sl7t4 (2024
).© 2024 Author(s). Published under an exclusive license by AIP Publishing.
2024
Author(s)
You do not currently have access to this content.
