鐵電/鐵磁異質結構是指鐵磁與鐵電複合多鐵性（FM/FE）異質結薄膜的結構。在多鐵性材料中最為常見的就是鐵磁與鐵電耦合，通過這種磁電耦合可以實現電場調控材料的磁性或者磁場調控材料的鐵電性。為了增強磁電耦合強度，人們提出了鐵電/鐵磁異質結構。
基本介紹
- 中文名：鐵電/鐵磁異質結構
- 外文名：Ferroelectric ferromagnetic heterostructures
- 一級學科：工程技術
- 二級學科：自旋電子學
- 特點：鐵磁與鐵電耦合
- 多鐵性材料：有兩種或兩種以上基本鐵性的材料
研究背景,鐵電鐵磁異質結構定義,優點,電控磁的調控機制,應力調控機制,交換偏置機制,電荷調控機制,
研究背景
多鐵性的概念最初由Schmid提出，由於其新穎的物理內涵和巨大的套用前景，而被廣泛研究和關注。所謂鐵性是指當物質中相鄰原子或離子的某種序參量由於它們的相互作用在某些區域中大致按同一方向排列，形成自發的有序結構的一種行為。由於自發的有序結構的產生，鐵性物質的序參量可以在外界驅動場的作用下發生變化，並表現出滯回行為，例如鐵磁/鐵電材料中的磁滯/電滯回線。常見鐵性有鐵電性，鐵磁性，鐵彈性，鐵渦性。
回顧當今的多鐵性材料，可以發現以鐵磁性和鐵電性占據主導地位，這是因為鐵磁和鐵電在的信息存儲中占有舉足輕重的地位。傳統的磁性隨機存儲器（Magnetic Random Access Memory，縮寫為MRAM），主要是利用其磁化狀態來記錄數據中的“0”和“1"，其特點是:穩定、抗疲勞性好、寫入速度慢、高功耗、存儲密度低、非破壞性讀取。當前鐵電隨機存儲器（Ferroelectric RandomAccess Memory，縮寫為FeRAM），主要是利用其極化狀態來記錄數據狀態，其特點是：寫入速度快、低功耗、存儲密度高、破壞性讀取、抗疲勞性差。從基礎研究的角度來看，鐵電和鐵磁本身就是凝聚態學科的基礎，同時也是材料學科的熱點。
在多鐵性材料中最為常見的就是鐵磁與鐵電耦合，通過這種磁電耦合可以實現電場調控材料的磁性或者磁場調控材料的鐵電性。
為了增強磁電耦合強度，人們提出了鐵磁與鐵電複合多鐵性（FM/FE）異質結薄膜的結構。
鐵電鐵磁異質結構定義
鐵電/鐵磁異質結構是指鐵磁與鐵電複合多鐵性（FM/FE）異質結薄膜的結構，利用鐵磁與鐵電實現磁電耦合，可以實現電場調控材料的磁性或者磁場調控材料的鐵電性
優點
自從這一結構出現之後，在多鐵材料領域占據了越來越多的舞台，究其原因有著兩點：1、這一異質結結構能夠很大程度上實現室溫下的磁電禍合，隨著尺度的減小，納米尺度的磁電耦合也會相應從原來的單一的應變機制向電荷轉移，能夠更大程度的幫助人們理解磁電禍合；2、另一方面隨著對電子器件的微型化、集成化的要求，多鐵性異質結薄膜是能夠滿足不同需求的一類薄膜，利用正磁電耦合效應（Direct magnetoelectric coupling effect，縮寫為DMEeffect），可以實現磁控電，用於微型感測器，利用逆磁電耦合效應（Conversemagnetoelectric coupling effect，縮寫為CM E effect）實現電控磁，可以在自旋電子器件、存儲器件、電可調微波器件等領域發揮長處。
電控磁的調控機制
應力調控機制
鐵磁/鐵電異質結中應力調控機制與前面提到的塊體磁電複合材料中一樣，都是通過逆壓電效應和逆磁致伸縮效應的結合實現電場對磁性的調控。因此，在應力調控機制下的鐵磁/鐵電異質結，大的磁電禍合效應的先決條件就是鐵電相與鐵磁相有著良好的彈性耦合（elastic coupling）。由於鐵電材料BTO隨溫度變化有著很好的結構變化，在用於彈性耦合的研究中，BTO是研究最多的材料。
應力調控機制己被廣泛認知，而且利用其可以實現電場調控磁性的可逆變化。但由於應力的易失性，如何實現非易失性的器件仍然是人們致力於發展和研究的方向。
交換偏置機制
交換偏置是指在包含鐵磁（FM）與反鐵磁（AFM）界面的體系中，從高於反鐵磁奈爾溫度冷卻到低溫後，由於兩者之間的界面處原子相互作用，使得鐵磁層的磁滯回線沿磁場方向偏離原點。偏離量稱為交換偏置場。交換偏置現象被廣泛套用在磁存儲或自旋閥等結構中。而在多鐵異質結中由於電場的引入，使得交換偏置場可以隨電場的大小而發生變化，這就是電場調控的交換偏置。這為交換偏置的套用提供了一個新的調控維度。
一般來講，由於磁和電的對稱性不同，單相的多鐵材料很少有鐵電（FE）與鐵磁（FM）共存的，而對於多鐵異質結中的交換偏置，其根本要求是反鐵磁層（AFM）同時具有鐵電性。
電荷調控機制
電荷調控機制是在類似於場效應電晶體（Field Effect Transistor，縮寫為FET）的鐵磁/鐵電異質結結構中，由強電場導致的磁性薄膜中自旋相關的載流子的富集或耗散，從而達到電場調控磁性的目的。如電荷密度或電荷禁止、離子位移、自旋極化禁止（spin-driven screening effect）等。
