journal article·2025Open access

Emergent multiferroicity in two-dimensional electron gas of complex oxides for FET-based artificial synaptic junctions

Mohammad Karbalaei Akbari, Yanbin Cui, Christophe Detavernier, Serge Zhuiykov

Materials Horizons· Volume 12· Issue 18

Abstract

Designing multifunctional nanoarchitectures that integrate distinct physical phenomena is paramount for next-generation electronics. Here, we report the emergence of a two-dimensional electron gas (2DEG) coexisting with robust multiferroicity at complex oxide heterointerfaces. Synthesized via atomic layer deposition (ALD), these ultrathin heterostructures comprise a ferroelectric Ti0.6Sn0.4O2 layer coupled with ferromagnetic Cr-doped SnO2. This unique integration engenders strong spin-charge-lattice interactions within the 2DEG, driven by the coupling between switchable ferroelectric domains and itinerant ferromagnetism. Piezoresponse force microscopy confirms tunable ferroelectric polarization, while magnetotransport measurements, including clear Shubnikov-de Haas oscillations, reveal high-mobility quantum transport within the 2DEG. Critically, the heterostructure exhibits dynamic capacitive-to-inductive transitions and current-induced polarization switching, characteristic of ferroelectric memristive behavior suitable for FET-based artificial synaptic junctions. Programmable pulse transient current responses demonstrate the potential for emulating synaptic plasticity. These findings unveil an all-oxide platform uniquely combining ferroelectricity, ferromagnetism, memristive switching, and quantum transport, paving the way for novel spin-orbitronic devices and energy-efficient neuromorphic computing architectures.
Source: europepmc · Quality: candidate unverified · Source record ↗

Research context

OpenAlex topics: Advanced Memory and Neural Computing · Ferroelectric and Negative Capacitance Devices · Electronic and Structural Properties of Oxides

SciVX discovery tags are terminology-based. OpenAlex topics are source-provided classifications.

Affiliations

Department of Solid-State Sciences, Faculty of Science, Ghent University, Krijgslaan 281/S1, Ghent, Belgium

Center for Green Chemistry & Environmental Biotechnology, Ghent University Global Campus, Incheon 21985, South Korea

Institute of Process Engineering, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China

References (83)

Show source-provided references
1. Stemmer · Annu. Rev. Mater. Res. · 2014 · 44 · 15110.1146/annurev-matsci-070813-113552 ↗
2. Yang · ACS Appl. Electron. Mater. · 2022 · 4 · 111710.1021/acsaelm.1c01244 ↗
3. Guo · Small · 2022 · 18 · 220048610.1002/smtd.202200486 ↗
4. Shao · Nat. Commun. · 2023 · 14 · 135510.1038/s41467-023-36950-x ↗
5. Hu · Nano Lett. · 2023 · 23 · 1135310.1021/acs.nanolett.3c04021 ↗
6. Chen · Adv. Mater. · 2021 · 33 · 200085710.1002/adma.202000857 ↗
7. Gao · Nat. Commun. · 2013 · 4 · 279110.1038/ncomms3791 ↗
8. Seidel · Nat. Mater. · 2019 · 18 · 18810.1038/s41563-019-0301-z ↗
9. Wang · Fundam. Res. · 2024 · 4 · 127210.1016/j.fmre.2023.04.013 ↗
10. Behera · Sci. Adv. · 2022 · 8 · eabj803010.1126/sciadv.abj8030 ↗
11. Barnard · Nanoscale Adv. · 2023 · 5 · 585010.1039/D3NA00512G ↗
12. Sulzbach · ACS Appl. Electron. Mater. · 2021 · 3 · 365710.1021/acsaelm.1c00604 ↗
13. Olaniyan · Nat. Commun. · 2024 · 15 · 1004710.1038/s41467-024-54285-z ↗
14. Fowlie · ACS Nano · 2021 · 15 · 14937
15. Chung · J. Vac. Sci. Technol., A · 2020 · 38 · 01240410.1116/1.5134136 ↗
16. Rykkje · ACS Appl. Electron. Mater. · 2025 · 7 · 246610.1021/acsaelm.4c02306 ↗
17. Sangeetha · J. Raman Spectrosc. · 2011 · 42 · 163410.1002/jrs.2919 ↗
18. Zhou · Solid State Commun. · 2006 · 138 · 24210.1016/j.ssc.2006.03.007 ↗
19. Hai · Mater. Today Commun. · 2017 · 12 · 5510.1016/j.mtcomm.2017.06.006 ↗
20. Aquino · J. Phys. Chem. C · 2017 · 121 · 2167010.1021/acs.jpcc.7b06054 ↗
21. Luan · RSC Adv. · 2014 · 4 · 960210.1039/c3ra46325g ↗
22. Zhang · Scr. Mater. · 2010 · 63 · 95310.1016/j.scriptamat.2010.06.025 ↗
23. Diehl · Chem. Mater. · 2018 · 30 · 893210.1021/acs.chemmater.8b04261 ↗
24. Gardner · Rep. Prog. Phys. · 2019 · 82 · 09250110.1088/1361-6633/ab37d4 ↗
25. Kumada · Mater. Res. Bull. · 2009 · 44 · 129810.1016/j.materresbull.2008.12.017 ↗
26. Agarwal · Phys. Rev. B · 2018 · 97 · 05410910.1103/PhysRevB.97.054109 ↗
27. Y.Worku , D. R.Sahu and V. V.Srinivasu , Magnetic Materials and Magnetic Levitation , IntechOpen , 2021
28. Xu · Nano Lett. · 2025 · 25 · 842310.1021/acs.nanolett.5c01935 ↗
29. Hirata · J. Am. Ceram. Soc. · 2000 · 83 · 320510.1111/j.1151-2916.2000.tb01706.x ↗
30. Uratani · Jpn. J. Appl. Phys. · 2008 · 47 · 773510.1143/JJAP.47.7735 ↗
31. Parker · Phys. Rev. B:Condens. Matter Mater. Phys. · 2011 · 84 · 24512610.1103/PhysRevB.84.245126 ↗
32. Matar · Chem. Phys. · 2009 · 355 · 4310.1016/j.chemphys.2008.11.002 ↗
33. Dynys · J. Am. Ceram. Soc. · 2012 · 95 · 61910.1111/j.1551-2916.2011.04794.x ↗
34. Siedl · J. Phys. Chem. C · 2012 · 116 · 2296710.1021/jp307737s ↗
35. Santander-Syro · Nat. Mater. · 2014 · 13 · 108510.1038/nmat4107 ↗
36. Pascariu · Ceram. Int. · 2023 · 49 · 1038410.1016/j.ceramint.2022.11.219 ↗
37. Cao · J. Phys. Chem. C · 2009 · 113 · 1812110.1021/jp9069288 ↗
38. Walsh · Chem. Soc. Rev. · 2011 · 40 · 445510.1039/c1cs15098g ↗
39. Diehl · Chem. Mater. · 2021 · 33 · 282410.1021/acs.chemmater.0c04886 ↗
40. Emam-Ismail · J. Phys. Chem. Solids · 2021 · 157 · 11019510.1016/j.jpcs.2021.110195 ↗
41. Costa · Phys. E · 2021 · 134 · 11485610.1016/j.physe.2021.114856 ↗
42. Ghasemian · Small · 2024 · 20 · 230992410.1002/smll.202309924 ↗
43. Xiao · Nat. Commun. · 2011 · 2 · 59610.1038/ncomms1602 ↗
44. Kelaidis · Sci. Rep. · 2018 · 8 · 1279010.1038/s41598-018-30747-5 ↗
45. Rus · Thin Solid Films · 2016 · 615 · 10310.1016/j.tsf.2016.06.057 ↗
46. Schlom · J. Am. Ceram. Soc. · 2008 · 91 · 242910.1111/j.1551-2916.2008.02556.x ↗
47. Wang · Phys. Rev. X · 2020 · 10 · 021030
48. He · Appl. Surf. Sci. · 2023 · 625 · 15719310.1016/j.apsusc.2023.157193 ↗
49. Bréhin · Phys. Rev. Mater. · 2020 · 4 · 04100210.1103/PhysRevMaterials.4.041002 ↗
50. Chen · Nano Lett. · 2011 · 11 · 377410.1021/nl201821j ↗
51. Seok · Chem. Mater. · 2020 · 32 · 766210.1021/acs.chemmater.0c01572 ↗
52. Sharma · Nano Lett. · 2015 · 15 · 354710.1021/acs.nanolett.5b01021 ↗
53. Lee · J. Nanomater. · 2016 · 1671390
54. Lee · ACS Appl. Electron. Mater. · 2024 · 6 · 3613
55. Jang · Appl. Surf. Sci. · 2022 · 600 · 15410310.1016/j.apsusc.2022.154103 ↗
56. Bréhin · Nat. Phys. · 2023 · 19 · 82310.1038/s41567-023-01983-y ↗
57. Kang · npj Spintronics · 2025 · 3 · 810.1038/s44306-025-00071-6 ↗
58. Bruno · Nat. Commun. · 2015 · 6 · 630610.1038/ncomms7306 ↗
59. Yoon · Nat. Commun. · 2025 · 16 · 117110.1038/s41467-025-56157-6 ↗
60. Bansal · J. Alloys Compd. · 2015 · 646 · 48310.1016/j.jallcom.2015.05.199 ↗
61. K.Takahashi , C. R. W.Steward , M.Ogata , R. M.Fernandes and J.Schmalian , arXiv , 2025 , preprint, arXiv:2502.03517 10.48550/arXiv.2502.0351710.48550/arXiv.2502.03517 ↗
62. Tao · Nat. Commun. · 2024 · 15 · 609910.1038/s41467-024-50431-9 ↗
63. Savchenko · Phys. Rev. Res. · 2024 · 6 · L02202710.1103/PhysRevResearch.6.L022027 ↗
64. Miyasato · Phys. Rev. Lett. · 2007 · 99 · 08660210.1103/PhysRevLett.99.086602 ↗
65. Risch · ACS Nano · 2025 · 19 · 699310.1021/acsnano.4c14727 ↗
66. Liu · ACS Nano · 2024 · 18 · 177810.1021/acsnano.3c05711 ↗
67. Du · Mater. Today Phys. · 2025 · 50 · 10160710.1016/j.mtphys.2024.101607 ↗
68. Gonzales · J. Phys. Chem. C · 2022 · 126 · 1356010.1021/acs.jpcc.2c02729 ↗
69. Bou · J. Phys. Chem. Lett. · 2025 · 16 · 6910.1021/acs.jpclett.4c03132 ↗
70. Berruet · ACS Energy Lett. · 2022 · 7 · 121410.1021/acsenergylett.2c00121 ↗
71. Dehsari · ACS Nano · 2023 · 17 · 806410.1021/acsnano.2c09769 ↗
72. J. F.Scott , Ferroelectric Memories , Springer , 200010.1007/978-3-662-04307-3 ↗
73. A. K.Tagantsev , L. E.Cross and J.Fousek , Domains in Ferroic Crystals and Thin Films , Springer , 2002
74. Ducharme · Phys. Rev. B:Condens. Matter Mater. Phys. · 2000 · 62 · 12024
75. Lou · J. Appl. Phys. · 2014 · 116 · 04410110.1063/1.4891240 ↗
76. Waser · Nat. Mater. · 2007 · 6 · 83310.1038/nmat2023 ↗
77. Lee · J. Appl. Phys. · 2008 · 103 · 01410110.1063/1.2822179 ↗
78. Beom · Mater. Today Phys. · 2022 · 24 · 100724
79. Vats · ACS Appl. Electron. Mater. · 2020 · 2 · 282910.1021/acsaelm.0c00497 ↗
80. Boddu · Sci. Rep. · 2017 · 7 · 80610.1038/s41598-017-01002-0 ↗
81. Yuan · Phys. Chem. Chem. Phys. · 2025 · 27 · 750210.1039/D5CP00591D ↗
82. Dong · ACS Appl. Mater. Interfaces · 2024 · 16 · 1923510.1021/acsami.4c01489 ↗
83. Xu · Mater. Des. · 2018 · 149 · 13510.1016/j.matdes.2018.04.007 ↗