[科普中国]-铁电/铁磁异质结构

铁电/铁磁异质结构是指铁磁与铁电复合多铁性（FM/FE）异质结薄膜的结构。在多铁性材料中最为常见的就是铁磁与铁电耦合，通过这种磁电耦合可以实现电场调控材料的磁性或者磁场调控材料的铁电性。为了增强磁电耦合强度，人们提出了铁电/铁磁异质结构。

研究背景多铁性的概念最初由Schmid1提出，由于其新颖的物理内涵和巨大的应用前景，而被广泛研究和关注。所谓铁性是指当物质中相邻原子或离子的某种序参量由于它们的相互作用在某些区域中大致按同一方向排列，形成自发的有序结构的一种行为。由于自发的有序结构的产生，铁性物质的序参量可以在外界驱动场的作用下发生变化，并表现出滞回行为，例如铁磁/铁电材料中的磁滞/电滞回线。常见铁性有铁电性，铁磁性，铁弹性，铁涡性。

回顾当今的多铁性材料，可以发现以铁磁性和铁电性占据主导地位，这是因为铁磁和铁电在的信息存储中占有举足轻重的地位。传统的磁性随机存储器（Magnetic Random Access Memory，缩写为MRAM），主要是利用其磁化状态来记录数据中的“0”和“1"，其特点是:稳定、抗疲劳性好、写入速度慢、高功耗、存储密度低、非破坏性读取。当前铁电随机存储器（Ferroelectric RandomAccess Memory，缩写为FeRAM），主要是利用其极化状态来记录数据状态，其特点是：写入速度快、低功耗、存储密度高、破坏性读取、抗疲劳性差。从基础研究的角度来看，铁电和铁磁本身就是凝聚态学科的基础，同时也是材料学科的热点。

在多铁性材料中最为常见的就是铁磁与铁电耦合，通过这种磁电耦合可以实现电场调控材料的磁性或者磁场调控材料的铁电性。

为了增强磁电耦合强度，人们提出了铁磁与铁电复合多铁性（FM/FE）异质结薄膜的结构。

铁电铁磁异质结构定义铁电/铁磁异质结构是指铁磁与铁电复合多铁性（FM/FE）异质结薄膜的结构，利用铁磁与铁电实现磁电耦合，可以实现电场调控材料的磁性或者磁场调控材料的铁电性

优点自从这一结构出现之后，在多铁材料领域占据了越来越多的舞台，究其原因有着两点：1、这一异质结结构能够很大程度上实现室温下的磁电祸合，随着尺度的减小，纳米尺度的磁电耦合也会相应从原来的单一的应变机制向电荷转移，能够更大程度的帮助人们理解磁电祸合；2、另一方面随着对电子器件的微型化、集成化的要求，多铁性异质结薄膜是能够满足不同需求的一类薄膜，利用正磁电耦合效应（Direct magnetoelectric coupling effect，缩写为DMEeffect），可以实现磁控电，用于微型传感器，利用逆磁电耦合效应（Conversemagnetoelectric coupling effect，缩写为CM E effect）实现电控磁，可以在自旋电子器件、存储器件、电可调微波器件等领域发挥长处。

电控磁的调控机制应力调控机制铁磁/铁电异质结中应力调控机制与前面提到的块体磁电复合材料中一样，都是通过逆压电效应和逆磁致伸缩效应的结合实现电场对磁性的调控。因此，在应力调控机制下的铁磁/铁电异质结，大的磁电祸合效应的先决条件就是铁电相与铁磁相有着良好的弹性耦合（elastic coupling）。由于铁电材料BTO随温度变化有着很好的结构变化，在用于弹性耦合的研究中，BTO是研究最多的材料。

应力调控机制己被广泛认知，而且利用其可以实现电场调控磁性的可逆变化。但由于应力的易失性，如何实现非易失性的器件仍然是人们致力于发展和研究的方向。

交换偏置机制交换偏置是指在包含铁磁（FM）与反铁磁（AFM）界面的体系中，从高于反铁磁奈尔温度冷却到低温后，由于两者之间的界面处原子相互作用，使得铁磁层的磁滞回线沿磁场方向偏离原点。偏离量称为交换偏置场。交换偏置现象被广泛应用在磁存储或自旋阀等结构中。而在多铁异质结中由于电场的引入，使得交换偏置场可以随电场的大小而发生变化，这就是电场调控的交换偏置。这为交换偏置的应用提供了一个新的调控维度。

一般来讲，由于磁和电的对称性不同，单相的多铁材料很少有铁电（FE）与铁磁（FM）共存的，而对于多铁异质结中的交换偏置，其根本要求是反铁磁层（AFM）同时具有铁电性。

电荷调控机制电荷调控机制是在类似于场效应晶体管（Field Effect Transistor，缩写为FET）的铁磁/铁电异质结结构中，由强电场导致的磁性薄膜中自旋相关的载流子的富集或耗散，从而达到电场调控磁性的目的。如电荷密度或电荷屏蔽、离子位移、自旋极化屏蔽（spin-driven screening effect）等。2

本词条内容贡献者为:

陈红 - 副教授 - 西南大学