多铁性十年回眸

多铁性研究可上溯至1950年代,作为凝聚态与材料物理的一个研究方向也算历史悠久;但大规模研究则主要受2003年两项里程碑性成果驱动,距今正好十年。所谓"十年树木",古训赋予我们回眸十年多铁研究的一个理由。这两项成果之一是BiFeO3外延薄膜制备及磁电耦合观测,主要贡献在于将互无交叠的磁电耦合唯象理论与多铁性微观物理框架通过铁性畴层次有机结合,触发多铁性薄膜与异质结的广泛研究。另一项成果是发现TbMnO3中巨大的磁电耦合效应,开启探索一大类具有崭新物理内涵的多铁性物质之路。对多铁性薄膜异质结的研究深入细致,体现了层层盘剥、细嚼慢咽的风格。而单相多铁性的探索则百花齐放、只争朝夕。前者如能工巧匠,其足迹是精湛研究技术方法与物理理论相结合的图画。后者如春潮奔腾,所到之处气象万千,其大观是科学发现与新材料探索的范例。文章基于粗略框架,对多铁性研究十年图景粗作描绘。有关多铁性各方面的详细论述则见诸本专题之隽文秀语。多铁性研究经历分而春秋的黄金十年,正出现久分必合的迹象,令人不忍释手。     

多铁性磁电器件研究进展

多铁性材料可以实现力、电、磁等多物理场之间的相互耦合,在小尺寸、快速响应和低功耗的磁电器件领域具有重要的应用前景.在应用需求的推动下,以具有磁电耦合效应的多铁性材料为基础的磁电器件在设计、微纳加工和性能优化等方面的研究取得了持续的进展.本文简要介绍了基于磁电耦合效应的几种原型器件的最新进展,包括可调谐电感、滤波器、磁电存储器、能量回收器、磁电传感器和磁电天线等,分析总结了各种磁电器件的工作原理及其性能表现,讨论了当前多铁性磁电器件研究所面临的问题和挑战,并提出了改进磁电器件性能的研究方向.     

基于PbMg_(1/3)Nb_(2/3)O_3-PbTiO_3压电单晶的磁电复合薄膜材料研究进展

电子信息技术的迅速发展对磁电功能器件的微型化、智能化、多功能化以及灵敏度、可靠性、低功耗等都提出了更高的需求,传统的块体磁电功能材料已日渐不能满足上述需求,而层状磁电复合薄膜材料同时具有铁电性、铁磁性和磁电耦合等多种特性,因此能满足上述需求且有望应用于新一代磁电功能器件.层状磁电复合材料不仅具有非常丰富的物理现象和效应,而且在弱磁探测器、多态存储器、电写磁读存储器、电场可调低功耗滤波器、移相器、天线等微波器件中也具有广阔的应用前景,因而受到材料科学家和物理学家广泛的关注和研究.在层状磁电复合材料中,功能薄膜/铁电单晶异质结因其制备简单、结构设计和材料选择灵活以及电场调控方便和有效,最近十余年引起了越来越多的研究人员的兴趣.目前,以具有优异铁电和压电性能的(1-x)PbMg_(1/3)Nb_(2/3)O_3-PbTiO_3(PMN-PT)单晶作为衬底,构建功能薄膜/PMN-PT异质结已成为国内外多铁性复合薄膜材料研究领域的重要方向之一.相比于其他国家,我国科学家无论在发表的文章数量还是在文章被引用次数方面都处于领先地位,表明我国在功能薄膜/PMN-PT单晶异质结方面的研究卓有成效.迄今为止,研究人员已构建了锰氧化合物/PMN-PT、铁氧体/PMN-PT、铁磁金属/PMN-PT、稀磁半导体/PMN-PT、发光材料/PMN-PT、二维材料/PMN-PT、多层薄膜/PMN-PT、超导薄膜/PMN-PT等多种类型的异质结,在理论研究和实验方面都取得了丰富的研究成果.本文对基于PMN-PT压电单晶的磁电复合薄膜材料的研究进展进行了总结:简要介绍了与功能薄膜/PMN-PT异质结相关的研究论文发表现状;介绍了PMN-PT单晶在准同型相界附近的相图和应变特性;按照功能薄膜材料所属的体系对异质结进行了分类,并选取部分代表性的研究成果,介绍了材料的磁电性能和内涵的物理机制;最后就目前有待解决的问题和未来可能的应用方向进行了总结和展望.     

多铁异质结构中逆磁电耦合效应的研究进展

电场调控磁性能够有效降低功耗,在未来低功耗多功能器件等方面具有巨大的潜在应用前景.铁磁/铁电多铁异质结构是实现电场调控磁性的有效途径,其中室温、磁电耦合效应大的应变媒介磁电耦合是最为活跃的研究领域之一.本文简要介绍在以Pb(Mg_(1/3)Nb_(2/3))_(0.7)Ti_(0.3)O_3为铁电材料的多铁异质结构中通过应变媒介磁电耦合效应对磁性、磁化翻转及磁性隧道结调控的研究进展.首先讨论了多铁异质结构中电场对磁性的调控;之后介绍了电场调控磁化翻转的研究进展及理论上实现的途径;然后简述了电场对磁性隧道结调控的相关结果;最后在此基础上,对多铁异质结构中电场调控磁性及磁性器件进行了总结和展望.     

多铁性异质结:1+1≠2

基于异质结界面而得以实现的复合型多铁性或磁电耦合性质本质上是一种呈展现象,即这种性质不是其组成成分单独所具有的特性,这体现了材料体系从简单到复杂过程中的某种跳跃式发展过程,即1+1≠2。文章主要介绍了近年来在多铁性异质结上的一些研究进展,包括界面磁电效应、多铁性隧道结以及基于异质结构的电控磁性等。这些进展表明,异质结研究极有可能是多铁性研究走向实用化的突破口。     

高温单相多铁性材料与强磁电耦合效应

高温多铁性与强磁电耦合效应是多铁性材料研究领域的两个核心内容。文章首先介绍了已知单相多铁性材料的分类,然后简要综述了一些具有高温多铁性与强磁电耦合效应的代表性材料体系,包括螺旋磁结构六角铁氧体、电荷有序化合物、金属—有机骨架材料等。     

基于磁电耦合效应的基本电路元件和非易失性存储器

磁电耦合效应是指磁场控制电极化或者电场控制磁性的物理现象,它们为开发新型电子器件提供了额外的物理状态自由度,具有巨大的应用潜力.磁电耦合系数作为磁电耦合材料的重要参量,体现了材料磁化和电极化的耦合性能,其随外加物理场的变化可以表现出非线性回滞行为,具备作为非易失存储的物理状态特征.本文讨论了基于磁电耦合效应如何建立起电荷-磁通之间的直接关联,继而实现了第四种基本电路元件并构建了完整的电路元件关系图.在此基础上,研究了多铁性异质结中的非线性磁电耦合效应,并利用其独特的电荷-磁通关联特性,开发了基于磁电耦合系数的电写-磁读型非易失性信息存储、逻辑计算与类神经突触记忆等一系列新型信息功能器件.     

磁电多铁性材料的宠儿:铁酸铋(BiFeO_3)研究进展的十年回顾

近十几年来,由于对新一代高性能(低能耗、高存储密度、高读写速度)电子功能器件的需求,多铁性材料特别吸引人们的关注。在这些多铁性化合物中,铁酸铋(BiFeO3,简写为BFO)具有高的铁电居里温度和高的反铁磁转变温度,是目前最有应用前景的多铁性材料之一。文章介绍了BFO的晶体结构、铁电极化结构以及反铁磁自旋结构,探讨了在它的基态和高应变状态下,极化与自旋是如何强耦合在一起的。在此基础上,进一步探讨了利用铁电/反铁磁BFO基体系来实现强磁电耦合效应(特别是在低维系统如异质结界面、畴壁或相界中)。文章还对BFO基纳米复合自组装结构中的磁电耦合做了简单介绍。通过对BFO这一多铁性模型体系的研究,可以帮助人们更好地认识铁性材料中衍生出的新奇量子现象,从而利用高等外延生长技术开发和设计新型人造超结构来实现材料的电性、磁性和弹性之间的耦合。     

磁电异质结及器件应用

磁电异质结是由铁磁和铁电材料通过连接层耦合而成,其磁电效应来源于铁电相的压电效应和铁磁相的磁致伸缩效应.相对于颗粒混相磁电复合材料,层状磁电异质结材料具有更高的磁电耦合系数和更低的介电损耗,使得其在磁场传感器、能量收集器、天线以及存储器等领域都有着巨大的应用前景.本综述重点总结了磁电异质结材料的发展历程以及相关应用领域的最新进展,最后评述了磁电异质结材料发展的挑战和前景展望.     

多铁性钙钛矿薄膜的氧空位调控研究进展

精确调控ABO_3钙钛矿结构中氧空位的位置与浓度已被证明可调控多铁性薄膜的不同物理性质,包括输运特性、光学特性和多铁性质等.本文回顾了多种典型的多铁性材料,从氧空位形成机理、氧八面体结构、应变-氧空位关系和具体物性调控效应(多铁、超导和电化学性能)等角度介绍了该体系中氧空位调控效应.同时依托氧空位调控的最新研究进展,尤其是对氧空位调控单相材料多铁性质方面工作的分析,为探索新型磁电功能性材料与器件提供了重要参考.     

多阶有序钙钛矿多铁性材料的高压制备与物性

钙钛矿是研究磁电多铁性最重要的材料体系之一.由于高的结构对称性,在以往的立方钙钛矿晶格中尚未发现多铁现象.另外,现有的单相多铁性材料很难兼容大电极化和强磁电耦合,严重制约多铁性材料的潜在应用.本文简单综述了利用高压高温条件制备的两个多阶有序钙钛矿氧化物的磁电多铁性质.在具有立方晶格的多阶钙钛矿LaMn_3Cr_4O_(12)中,观察到自旋诱导的铁电极化,表明该材料是第一个被发现的具有多铁性的立方钙钛矿体系.在另一个多阶有序钙钛矿BiMn_3Cr_4O_(12)中,随温度降低该材料依次经历了I类多铁相和II类多铁相.正因为这两类不同多铁相的同时出现,BiMn_3Cr_4O_(12)同时展示了大的电极化强度和强的磁电耦合效应,并且通过不同的电场调控可实现四重铁电极化态,为开发多功能自旋电子学器件与多态存储提供了先进的材料基础.     

顺磁性La2/3Sr1/3MnO3层对Bi0.8Ba0.2FeO3薄膜多铁性能的影响

界面效应在提升异质结构材料的多铁性能方面有着重要的作用. 本文采用脉冲激光沉积技术在SrTiO₃(STO)基片上制备了Bi_0.8Ba_0.2FeO₃(BBFO)/La_2/3Sr_1/3MnO₃(LSMO)异质结. X-射线衍射图谱表明异质结呈现单相外延生长, 利用高分辨透射电镜进一步证实了BBFO为四方相结构. X-射线光电子能谱证实异质结中只存在Fe³⁺ 离子, 没有产生价态的变化, 揭示了异质结铁电和铁磁性的增强与BBFO/LSMO的界面有关. 同时, 测试了磁电阻(MR)和磁介电(MD), 当磁场强度为0.8 T, 温度为70 K时, MR约为-42.2%, MD约为21.2%. 并且发现在180 K时出现磁相的转变. 实验结果揭示出异质界面效应在提升材料的多铁性和磁电耦合效应方面具有超常的优点, 是加快多铁材料实际应用的有效途径.     

电场驱动磁翻转——面向未来的低耗能磁电信息器件

利用磁电耦合实现电场驱动磁翻转是多铁性材料领域的重要方向，有望用于大幅降低自旋电子学器件的能耗，并为解决日益增长的数据处理用电问题提供一种新方案。在过去几年，纯电控磁研究经历了曲折历程，取得一系列重要突破，包括纳米复合异质结构筑、应变耦合驱动电控180°磁翻转、界面磁交换耦合实现低电压驱动180°磁翻转，以及电场调控斯格明子磁性拓扑态等，为进一步开发超低能耗磁电存储或逻辑器件奠定了基础。文章聚焦于面向磁电信息器件的纯电场调控磁翻转，并简要回顾近十年来这一分支领域的发展历程和重要进展，梳理该领域目前所面临的问题并展望未来研究方向。     

自旋电子学材料、物理和器件设计原理的研究进展

文章介绍了作者所在实验室在巨磁电阻(GMR)、隧穿磁电阻(TMR)、庞磁电阻(CMR)和反铁磁钉扎薄膜材料以及单晶金属氧化物、高自旋极化率材料、P-N异质结和纳米环磁随机存储器原理型演示器件设计等研究方面取得的一些重要研究成果和进展.例如:在Al-O势垒磁性隧道结材料体系里,获得室温磁电阻超过80%的国际最好结果;获得两种高性能层状反铁磁钉扎材料体系;发现具有大的电致电阻效应的CMR薄膜材料,并可期望用于电流直接进行磁信息写和读操作的磁存储介质;发现双势垒磁性隧道结中的量子阱态共振隧穿和磁电阻振荡效应,以及纳米器件体系中自旋翻转长度的观测新方法,可用于新型自旋电子学材料及相关器件的人工辅助设计;利用电子自旋共振谱探测和研究了金属氧化物的微观自旋结构和各向异性;在[CoFe/Pt]n磁性金属多层膜中,观测到超高灵敏度的反常霍尔效应;利用纳米环状磁性隧道结作为存储单元,研制出一种新型纳米环磁随机存储器MRAM原理型演示器件.     

高质量单层二硫化钼薄膜的研究进展

作为一种新型的二维半导体材料,单层二硫化钼薄膜由于其优异的特性,在电子学与光电子学等众多领域具有潜在的应用价值.本文综述了我们课题组在过去几年中针对单层二硫化钼薄膜的研究所取得的进展,具体包括:在二硫化钼薄膜的制备方面,通过氧辅助化学气相沉积方法,实现了大尺寸单层二硫化钼单晶的可控生长和晶圆级单层二硫化钼薄膜的高定向外延生长;在二硫化钼薄膜的加工方面,发展了单层二硫化钼薄膜的无损转移、洁净图案化加工、可控结构相变与局域相调控的方法,为场效应晶体管等电子学器件的制备与性能优化提供了基础;在二硫化钼异质结方面,研究了二硫化钼薄膜与其他二维材料形成的异质结的电学以及光电性质,为二维材料异质结的构筑和器件特性研究提供了实验参考;在二硫化钼薄膜功能化器件与应用方面,构筑了全二维材料、亚5 nm超短沟道场效应晶体管器件,验证了单层二硫化钼对短沟道效应的有效抑制及其在5 nm工艺节点器件中的应用优势;此外,利用制备的高质量单层二硫化钼和发展的器件洁净加工技术,实现了高性能柔性薄膜晶体管的集成,获得了超高灵敏度与稳定性的非接触型湿度传感器.我们在二硫化钼薄膜的制备、加工以及器件特性研究方面所取得的进展对于二硫化钼及其他二维过渡金属硫属化合物的基础和应用研究均具有指导意义.     

铁酸铋薄膜光电流的磁场调制研究

BiFeO₃作为一种具有体光伏效应的室温多铁材料,是近年来多功能材料领域的研究热点.其中磁、光、电等多种性能之间耦合作用的共存带来了丰富而复杂的物理内涵.利用脉冲激光沉积在导电玻璃(SnO₂:F,FTO)衬底上沉积了BiFeO₃薄膜,实验结果表明,该薄膜具有良好的铁磁和铁电性能,并通过磁场实现了对薄膜光电性能的调控.在标准太阳光照的同时施加1.3 kOe (1 Oe=103/(4π) A/m)磁场下,磁-光电流变化率达到232.7%. BiFeO₃薄膜中的磁-光电流效应来自于光磁电阻效应,即光生电子在磁场作用下成为自旋光电子,在材料导带运动过程中受到自旋相关散射而具有光磁电阻效应;此外,磁场作用使这些自旋光电子受到的畴壁散射减弱也进一步增强了磁光电流效应.本文为磁场、光场调控多铁性薄膜的磁、光、电等物理特性提供了参考,为多功能光电材料领域的器件研究与应用提供了基础.     

磁电效应研究进展

多铁体(multiferroic)和磁电体(magnetoelectric material)最近几年已迅速成为物理界和材料界的研究热点,其潜在的应用价值必将随着未来的深入研究而得到进一步展现。围绕磁电效应这一多铁体和磁电体最重要的特性,本文介绍了近期理论和实验研究的多方面进展,其中重点评述了有关磁电效应产生机制,特别是一些新颖机制如界面磁电效应,表面磁电效应,电子型多铁性,螺旋自旋(spiral spin)铁电性,铁涡性(ferrotoroidic)和一些广义磁电效应如拓扑磁电效应等的相关研究。文章最后介绍了基于多铁体和磁电体的一些新型功能性器件,如四态存储器,多铁性内存,磁读电写硬盘等。     

磁电效应研究进展

多铁体(multiferroic)和磁电体(magnetoelectric material)最近几年已迅速成为物理界和材料界的研究热点,其潜在的应用价值必将随着未来的深入研究而得到进一步展现.围绕磁电效应这一多铁体和磁电体最重要的特性,本文介绍了近期理论和实验研究的多方面进展,其中重点评述了有关磁电效应产生机制,特别是一些新颖机制如界面磁电效应,表面磁电效应,电子型多铁性,螺旋自旋(spiral spin)铁电性,铁涡性(ferrotoroidic)和一些广义磁电效应如拓扑磁电效应等的相关研究.文章最后介绍了基于多铁体和磁电体的一些新型功能性器件,如四态存储器,多铁性内存,磁读电写硬盘等.     

单相磁电多铁性体研究进展

文章从电磁耦合现象及磁电效应出发,简要介绍了单相磁电多铁性体(铁电磁体)的最新研究进展。     

单相磁电多铁性体研究进展

文章从电磁耦合现象及磁电效应出发,简要介绍了单相磁电多铁性体(铁电磁体)的最新研究进展。